KR20160125354A - Hybrid electrodes with both intercalation and conversion materials - Google Patents

Hybrid electrodes with both intercalation and conversion materials Download PDF

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KR20160125354A
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티모시 홀름
웨스턴 아서 헤르만
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콴텀스케이프 코포레이션
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Abstract

본 발명은 배터리 디바이스 및 그에 대한 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 실시양태는 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질을 양자 모두 포함하는 배터리 전극을 제공하며, 이는 자동차 응용에 사용될 수 있다. 기타 실시양태도 제공된다.The present invention relates to a battery device and a method therefor. More specifically, embodiments of the present invention provide a battery electrode that includes both an intercalating chemical and a converting chemical, which can be used in automotive applications. Other embodiments are also provided.

Description

삽입 및 변환 물질 양자 모두를 갖는 하이브리드 전극{HYBRID ELECTRODES WITH BOTH INTERCALATION AND CONVERSION MATERIALS}HYBRID ELECTRODES WITH BOTH INTERCALATION AND CONVERSION MATERIALS < RTI ID = 0.0 >

본 출원은 발명의 명칭이 "삽입 및 변환 물질 양자 모두를 갖는 하이브리드 전극"이고 2014년 2월 25일자 출원된 미국 가특허 출원 제61/944,502호 및 발명의 명칭이 "삽입 및 변환 물질 양자 모두를 갖는 하이브리드 전극"이고 2014년 7월 23일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/027,908호에 대한 우선권을 주장한다. 이들 가특허 출원 각각은 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 원용에 의해 포함된다. This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 944,502, filed February 25, 2014, entitled "Hybrid Electrode Having Both an Insertion and Transformation Substance, " And claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 027,908, filed July 23, 2014. Each of these patent applications is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes.

최근, 화석 연료의 부족과 화석 연료의 소비로 인한 환경적 유해 효과에 대한 경고의 증가에 따라 공공 및 민간 부문에서는 에너지를 저장하고 전달하기 위한 대체 및 친환경 기술을 연구해왔으며, 이중 일부는 재충전 배터리(즉, 이차 배터리, 예를 들어, 구동 배터리)를 포함한다. 많은 유형의 재충전 배터리가 개발되었지만, 부분적으로는 에너지, 전력, 회전능의 조정 불능, 및 소정의 응용에 대한 소정의 배터리의 비용 측면으로 인하여, 많은 응용, 특히 자동차 응용(예: 전기 및 하이브리드 차량)에서 각 유형의 각각의 이점과 단점은 재충전 배터리의 광범위한 상용화를 저지시켜왔다.In recent years, public and private sectors have pursued alternative and eco-friendly technologies for storing and delivering energy, with a growing number of warnings about the environmental effects of fossil fuels and the consumption of fossil fuels, some of which are rechargeable batteries That is, a secondary battery, for example, a driving battery). Although many types of rechargeable batteries have been developed, many applications, especially automotive applications (e.g., electric and hybrid vehicles) have been developed due to the cost side of the battery, in part due to energy, power, ), Each of the advantages and disadvantages of each type has prevented the widespread commercialization of rechargeable batteries.

상업적 응용에 있어서 특정 배터리 유형(들)의 적합성은 배터리의 물성 및 성능 특성 뿐아니라 구성 물질들의 비용 및 연관된 조립법에 좌우된다. 자동차 응용(예: 전기 및 하이브리드 차량)의 경우, 고전력 및 에너지 용량, 광범위한 전압 작동 범위, 및 기계적 내구성이 모두 바람직한 특성들이지만, 불행하게도 많은 통상의 배터리 디바이스들이 현재 및 미래의 자동차 수요에 있어서 이들 각각의 적어도 한가지 점에서 불충분하다. 전기 자동차의 경우, 배터리는 장거리 운전을 위한 고 에너지 밀도 및 또한 가속 및/또는 제동 시나리오를 위한 고 순간 출력 양자 모두를 증명할 필요가 있다. 대부분의 고 에너지 밀도 배터리는 고 출력능을 결여하기 때문에, 통상의 재충전 배터리는 자동차 응용에 있어서 광범위하게 채용되지 못하였다. The suitability of a particular battery type (s) in commercial applications depends not only on the physical properties and performance characteristics of the battery, but also on the cost of the constituent materials and the associated assembly methods. In the case of automotive applications (e.g., electric and hybrid vehicles), high power and energy capacity, a wide range of voltage operating ranges, and mechanical durability are all desirable characteristics, but unfortunately many conventional battery devices Which is insufficient in at least one respect of each. In the case of an electric vehicle, the battery needs to demonstrate both a high energy density for long-distance operation and also a high-instantaneous output for acceleration and / or braking scenarios. Since most high energy density batteries lack high output capability, conventional rechargeable batteries have not been widely adopted in automotive applications.

따라서, 새롭고도 개선된 배터리 디바이스 및 이를 제조하고 사용하는 방법이 본 발명 분야에 요구된다.Therefore, new and improved battery devices and methods of making and using them are required in the field of the present invention.

본 발명은 한 가지 초과 유형의 양극 활물질을 포함하는, 전기화학 전지용 양극 조성물을 기술한다. 일부 실시양태에서, 이들 전극은 변환 화학 활물질 및 삽입 화학 활물질을 포함한다. 이들 실시양태의 일부에서, 삽입 물질에 대한 삽입 전압은 변환 화학 물질에 대한 변환 전압을 초과(above)할 수 있으며, 이 경우에 삽입 화학은 최고 전압(voltage ceiling)을 제공하기 위한 재충전 중에 이용된다. 일부 기타 실시양태에서, 삽입 물질에 대한 삽입 전압은 변환 화학 물질에 대한 변환 전압 미만(below)일 수 있으며, 이 경우에 삽입 화학은 최저 전압(voltage floor)을 제공하기 위한 방전 중에 이용된다. 특정 실시양태에서, 변환 화학 활물질의 상부 작동 전압 평탄부(voltage plateau)(즉, 완전 충전시 전압 대 Li)는 삽입 화학 활물질에 대한 작동 전압 평탄부 미만이며, 이 경우에 삽입 물질은 전기화학 전지가 재충전할 때 최고 전압을 제공한다. 특정 실시양태에서, 변환 화학 활물질의 상부 작동 전압 평탄부(즉, 완전 충전시 전압 대 Li)는 삽입 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부와 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있으며, 이 경우에 삽입 물질은 전기화학 전지가 재충전할 때 최고 전압을 제공한다. 특정의 기타 실시양태에서, 삽입 화학 활물질의 하부 작동 전압 평탄부(즉, 전압 하한, 방전시 전압 대 Li)는 삽입 화학 활물질에 대한 하부 작동 전압 평탄부를 초과하며, 이 경우에 삽입 물질은 전기화학 전지가 방전할 때 최저 전압을 제공한다. 특정의 기타 실시양태에서, 삽입 화학 활물질의 작동 전압 평탄부(즉, 전압 하한, 방전시 전압 대 Li)는 삽입 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부와 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있으며, 이 경우에 삽입 물질은 전기화학 전지가 방전할 때 최저 전압을 제공한다. 특정 실시양태에서, 변환 화학 물질과 혼합된 삽입 화학 물질은 변환 화학 물질에 대한 삽입 방식 전압 범위보다 높은 전압에서 작동한다. 특정의 기타 실시양태에서, 변환 화학 물질과 혼합된 삽입 화학 물질은 변환 화학 물질에 대한 변환 방식 전압 범위보다 낮은 전압에서 작동한다. 또 다른 실시양태에서, 변환 화학 물질과 혼합된 삽입 화학 물질은 변환 화학 물질에 대한 삽입 방식 전압 범위보다 높은 전압 및 변환 화학 활물질에 대한 변환 방식 전압 범위보다 낮은 전압 양자 모두에서 작동한다. 본 명세서는 또한 이들 양극을 제조하고 사용하는 방법을 기술한다.The present invention describes a cathode composition for an electrochemical cell comprising one more type of cathode active material. In some embodiments, these electrodes comprise a converted chemical active material and an intercalated chemical active material. In some of these embodiments, the insertion voltage for the insertion material may be above the conversion voltage for the conversion chemical, in which case the insertion chemistry is used during recharging to provide a voltage ceiling . In some other embodiments, the insertion voltage for the insertion material may be below the conversion voltage for the conversion chemistry, in which case the insertion chemistry is used during discharging to provide a voltage floor. In certain embodiments, the upper operating voltage voltage plateau (i.e., voltage versus Li at full charge) of the converted chemical active material is less than the operating voltage flatness for the intercalated chemical active material, Provides the highest voltage when recharging. In certain embodiments, the upper working voltage flatness (i.e., the voltage at full charge versus Li) of the converted chemical active material is between the upper working voltage flatness and the lower working voltage flatness for the intercalated chemical active material, Provides the highest voltage when the electrochemical cell is recharged. In certain other embodiments, the lower operating voltage flatness of the intercalated chemical active material (i. E. The voltage lower limit, voltage versus Li at discharge) exceeds the lower operating voltage flatness for the intercalating chemical active material, It provides the lowest voltage when the battery discharges. In other specific embodiments, the operating voltage flatness of the intercalated chemical active material (i. E. The voltage lower limit, voltage vs. Li during discharge) is between the upper operating voltage flatness and the lower operating voltage flatness for the intercalated chemical active material, The insulator material provides the lowest voltage when the electrochemical cell discharges. In certain embodiments, the intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry operates at a voltage higher than the intercalating voltage range for the conversion chemistry. In certain other embodiments, the intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry operates at a voltage lower than the transitional voltage range for the conversion chemistry. In another embodiment, the intercalating chemistry mixed with the converting chemistry operates at both a voltage above the intercalating voltage range for the converting chemical and a voltage below the transducing voltage range for the converting chemical active. The present disclosure also describes methods for making and using these anodes.

도 1은 무작위로 혼합된 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질을 포함하는 캐소드(즉, 양극) 활물질을 설명하는 도표이다.
도 2는 경사 조성(graded composition)을 나타내는 캐소드를 설명하는 도표이다.
도 3A-C는 삼불화철(FeF3) 단독, 또는 삼불화철(FeF3)과 티탄산리튬(Li4-7Ti5O12, 즉 LTO) 양자 모두의 양극 활물질을 포함하는 양극을 갖는 전기화학 전지에 대한 저온 가속 작동을 설명하는 도표이다.
도 4A-C는 삼불화철(FeF3) 단독, 또는 삼불화철(FeF3)과 티탄산리튬(Li4-7Ti5O12, 즉 LTO) 양자 모두의 양극 활물질을 포함하는 양극을 갖는 전기화학 전지에 대한 저온 회생 제동(regenerative braking) 작동을 설명하는 도표이다.
도 5A-E는 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질의 혼합물을 포함하는 양극을 갖는 전기화학 전지에 대한 다양한 작동 시나리오를 설명한다.
도 6은 변환 화학 반응에 사용하기에 적합한 상이한 물질들에 대한 작동 전압을 설명하는 표이다.
도 7은 본 명세서에 기술된 일 실시양태에 따른 변환 화학 활물질과 2 가지 유형의 삽입 화학 활물질을 갖는 하이브리드 전극을 포함하는 예시적인 배터리 전지를 설명하는 도표이다.
도 8은 본 명세서에 기술된 배터리 디바이스 실시양태와 사용하기에 적합한 예시적인 양면 캐소드 전극이다.
도 9A-F는 본 명세서에 기술된 양극 활물질, 예를 들어, 변환 화학 물질과 사용하기에 적합한 삽입 물질 및 이들의 상응하는 평균 전압(약 1.3-2.5 V 사이)(Li의 아랫첨자로 Li의 삽입된 양이 표시됨)의 목록이다.
도 10A-F는 본 명세서에 기술된 양극 활물질, 예를 들어, 변환 화학 물질과 사용하기에 적합한 삽입 물질 및 이들의 상응하는 평균 전압(약 2.5-3.8 V 사이)(Li의 아랫첨자로 Li의 삽입된 양이 표시됨)의 목록이다.
도 11은 FeF3 양극 활물질 단독, 또는 80:20 조합의 삼불화철(FeF3)과 티탄산 리튬(LTO, 즉, Li4-7Ti5.5O12) 양극 활물질을 갖는 전기화학 전지의 경우 전압 대 방전 실행 시간, 및 전류 대 방전 실행 시간의 중첩된(overlaid) 플롯이다. 전지는 50 ℃에서 C/10에 방전되었다.
도 12는 FeF3 양극 활물질 단독, 또는 80:20 조합의 삼불화철(FeF3)과 티탄산 리튬(LTO, 즉, Li4-7Ti5.5O12) 양극 활물질을 갖는 전기화학 전지의 경우 전압 대 실행 능동 질량-비용량(Voltage v. Run active mass-specific capacity)(mAh/g), 및 전류 대 실행 능동 질량-비용량(mAh/g)의 중첩된 플롯이다.
도 13은 FeF3 양극 활물질 단독, 또는 80:20 조합의 삼불화철(FeF3)(대조군-1 및 대조군-2로 표지)과 티탄산 리튬(LTO, 즉, Li4-7Ti5.5O12) 양극 활물질(LTO-1 및LTO-2로 표지)을 갖는 전기화학 전지의 경우 전압 대 실행 시간의 중첩된 플롯이다.
도 14는 도 13의 확대된 투시도이며 LTO-1과 대조군-1을 비교한다.
도 15는 FeF3 양극 활물질, 또는 80:20 조합의 삼불화철(FeF3)(대조군-1 내지 대조군-4로 표지)과 티탄산 리튬(LTO, 즉, Li4-7Ti5.5O12) 양극 활물질(LTO-1 내지LTO-6으로 표지)을 갖는 10 가지 전기화학 전지의 경우 면적 비저항(Area Specific Resistance; ASR) 대 충전-방전 펄스의 중첩된 플롯이다.
도 16은 FeF3 양극 활물질 단독, 또는 80:20 조합의 삼불화철(FeF3)과 티탄산 리튬(LTO, 즉, Li4-7Ti5.5O12) 양극 활물질을 갖는 전기화학 전지의 경우 실행 시간(103 초)의 함수로서 전압(대 Li)의 플롯이다.
도 17은 도 16의 확대된 투시도이다.
도 18은 도 16의 확대된 투시도이다.
도 19는 가속 전기 차량의 경우 시간의 함수로서 배터리 전력 수요 시나리오를 설명한다.
도 20은 도 19의 전력 수요 시나리오를 기초로 하여, LTO 양극 활물질, FeF3 양극 활물질, 또는 FeF3 및 LTO 양극 활물질의 95:5 w/w 혼합물을 갖는 전기화학 전지의 경우 시간의 함수로서 전기화학 전지 전압(V 대 Li)의 모의 전압 반응 플롯이다.
도 21은 회생 제동 전기 차량의 경우 시간의 함수로서 배터리 전력 수요 시나리오이다.
도 22는 도 21의 전력 수요 시나리오를 기초로 하여, LTO 양극 활물질, FeF3 양극 활물질, 또는 FeF3 및 LTO 양극 활물질의 95:5 w/w 혼합물을 갖는 전기화학 전지의 경우 시간의 함수로서 전기화학 전지 전압(V 대 Li)의 모의 전압 반응 플롯이다.
도 23은 본 명세서에 기술된 일 실시양태에 따른 하이브리드 양극을 포함하는 예시적인 전기화학 전지이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a diagram illustrating a cathode (i.e., positive electrode) active material comprising randomly mixed intercalating and converting chemicals.
2 is a diagram illustrating a cathode showing a graded composition.
3A-C are graphs showing the electric properties of an anode having a positive electrode active material of both of iron fluoride (FeF 3 ) alone or of both lithium fluoride (FeF 3 ) and lithium titanate (Li 4-7 Ti 5 O 12 , or LTO) ≪ RTI ID = 0.0 > chart < / RTI >
4A-C are graphs showing the electrical characteristics of a lithium secondary battery having a positive electrode comprising a positive electrode active material of both ferric iron (FeF 3 ) alone or lithium trifluoride (FeF 3 ) and lithium titanate (Li 4-7 Ti 5 O 12 , Figure 5 is a chart illustrating the low temperature regenerative braking operation for a chemical cell.
5A-E illustrate various operating scenarios for an electrochemical cell having a cathode comprising a mixture of an intercalating chemical active material and a converted chemical active material.
Figure 6 is a table illustrating operating voltages for different materials suitable for use in conversion chemistries.
7 is a diagram illustrating an exemplary battery cell including a hybrid electrode having a conversion chemical active material according to one embodiment described herein and two types of intercalating chemical active materials.
Figure 8 is an exemplary double-sided cathode electrode suitable for use with the battery device embodiments described herein.
9A-F illustrate the use of the cathode active materials described herein, for example, intercalating materials suitable for use with conversion chemicals and their corresponding average voltage (between about 1.3-2.5 V) The amount inserted is indicated).
FIGS. 10A-F illustrate the use of the cathode active materials described herein, for example, intercalating materials suitable for use with conversion chemicals and their corresponding average voltage (between about 2.5-3.8 V) The amount inserted is indicated).
11 is a graph showing the relationship between the voltage of the positive electrode active material in the case of an electrochemical cell having the FeF 3 positive active material alone or the combination of 80:20 iron fluoride (FeF 3 ) and lithium titanate (LTO, i.e., Li 4-7 Ti 5.5 O 12 ) Discharge run time, and current vs. discharge run time. The cell was discharged at C / 10 at 50 < 0 > C.
12 is a graph showing the relationship between the voltage of the positive electrode active material in the case of an electrochemical cell having a FeF 3 positive active material alone or a combination of 80:20 iron fluoride (FeF 3 ) and lithium titanate (LTO, ie Li 4-7 Ti 5.5 O 12 ) (Active mass-specific capacity) (mAh / g), and current vs. active mass-specific capacity (mAh / g).
Fig. 13 is a graph showing the relationship between FeF 3 cathode active material alone or a combination of 80:20 iron trifluoride (FeF 3 ) (labeled with control-1 and control-2) and lithium titanate (LTO, i.e. Li 4-7 Ti 5.5 O 12 ) For an electrochemical cell with a cathode active material (labeled LTO-1 and LTO-2), it is an overlaid plot of voltage versus run time.
14 is an enlarged perspective view of FIG. 13 and compares LTO-1 with control-1.
15 is FeF 3 positive electrode active material, iron trifluoride or a combination of 80: 20 (FeF 3) (labeled as control group-1 to -4 control group) and lithium titanate (LTO, i.e., Li 4-7 Ti 5.5 O 12) anode Is an overlaid plot of Area Specific Resistance (ASR) vs. charge-discharge pulse for 10 electrochemical cells with active material (labeled LTO-1 to LTO-6).
16 is a graph showing the relationship between the running time (time) of an FeC 3 cathode active material alone or an electrochemical cell having an 80:20 combination of iron fluoride (FeF 3 ) and lithium titanate (LTO, i.e., Li 4-7 Ti 5.5 O 12 ) (Versus Li) as a function of time (10 3 seconds).
17 is an enlarged perspective view of Fig.
Fig. 18 is an enlarged perspective view of Fig. 16. Fig.
Figure 19 illustrates a battery power demand scenario as a function of time for an accelerated electric vehicle.
20 is based on the power demand scenario of Figure 19, LTO positive electrode active material, FeF 3 positive electrode active material, or 95 of FeF 3 and LTO positive electrode active material: electrical as a function of time when the electrochemical cell having a 5 w / w mixture Is a simulated voltage response plot of chemical cell voltage (V vs. Li).
Figure 21 is a battery power demand scenario as a function of time for regenerative braking electric vehicles.
22 is based on the power demand scenario of Figure 21, LTO positive electrode active material, FeF 3 positive electrode active material, or 95 of FeF 3 and LTO positive electrode active material: electrical as a function of time when the electrochemical cell having a 5 w / w mixture Is a simulated voltage response plot of chemical cell voltage (V vs. Li).
23 is an exemplary electrochemical cell comprising a hybrid anode according to one embodiment described herein.

정의Justice

본 명세서에서 사용된 구문 "활물질", "전극 활물질" 또는 "활물질"은 리튬 재충전 배터리 전지에 사용하기에 적합하며 배터리 전지의 충전 및 방전 사이클 중에 리튬 이온을 전달하거나 수용할 책임이 있는 물질을 지칭한다. 활물질은 충전 및 방전 사이클 중에 화학 반응을 겪을 수 있다. 동일한 배터리 전지가 양극 활물질과 음극 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질은 불화금속을 포함할 수 있으며 이는 이 물질을 함유하는 배터리 전지의 방전 사이클 중에 금속과 불화리튬으로 변환된다.The phrase "active material", "electrode active material" or "active material" as used herein refers to a material which is suitable for use in a lithium rechargeable battery cell and which is responsible for transferring or accepting lithium ions during the charging and discharging cycles of the battery cell do. The active material may undergo a chemical reaction during charging and discharging cycles. The same battery cell may include a cathode active material and an anode active material. For example, the cathode active material may include a metal fluoride, which is converted to metal and lithium fluoride during the discharge cycle of the battery cell containing the metal fluoride.

본 명세서에서 사용된 구문 "그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 구성원"은 그룹으로부터의 단일 구성원, 그룹으로부터의 하나 초과의 구성원, 또는 그룹으로부터의 구성원 조합을 포함한다. A, B, 및 C로 구성된 그룹 중에서 선택되는 적어도 하나의 구성원은, 예를 들어, A 단독, B 단독, 또는 C 단독 뿐아니라 A 및 B 뿐아니라 A 및 C 뿐아니라 B 및 C 뿐아니라 A, B, 및 C, 또는 A, B, 및 C의 임의의 기타 모든 조합들을 포함한다.As used herein, the phrase "at least one member selected from the group" includes a single member from a group, more than one member from a group, or a combination of members from a group. At least one member selected from the group consisting of A, B, and C is not only A, B alone, or C alone but also A and B as well as A and C as well as B and C as well as A, B, and C, or any other combination of A, B, and C.

본 명세서에서 사용된 "결합제"는 다른 물질의 접착을 지원하는 물질을 지칭한다. 본 발명에 유용한 결합제로는 폴리프로필렌(PP), 어택틱 폴리프로필렌 (aPP), 이소택틱(isotactive) 폴리프로필렌(iPP), 에틸렌 프로필렌 고무(EPR), 에틸렌 펜텐 공중합체(EPC), 폴리이소부틸렌(PIB), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리올레핀, 폴리에틸렌-코-폴리-1-옥텐(PE-co-PO), PE-코-폴리(메틸렌 사이클로펜탄) (PE-co-PMCP), 스테레오블록 폴리프로필렌, 폴리프로필렌 폴리메틸펜텐 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), PEO 블록 공중합체, 실리콘 등을 들 수 있으나, 이로 제한되지는 않는다.As used herein, "binder" refers to a material that supports adhesion of other materials. Binders useful in the present invention include but are not limited to polypropylene (PP), atactic polypropylene (aPP), isotactive polypropylene (iPP), ethylene propylene rubber (EPR), ethylene pentene copolymer (EPC), polyisobutyl (PIB), styrene butadiene rubber (SBR), polyolefin, PE-co-PO, PE-co-PMCP, Block polypropylene, polypropylene polymethylpentene copolymer, polyethylene oxide (PEO), PEO block copolymer, silicone, and the like.

본 명세서에서 사용된 용어 "캐소드" 및 "애노드"는 배터리 전극을 지칭한다. Li-이차 배터리에서의 충전 사이클 중에, Li 이온은 캐소드를 떠나 전해질을 통해 애노드로 이동한다. 충전 사이클 중에, 전자는 캐소드를 떠나 외부 회로를 통해 애노드로 이동한다. Li-이차 배터리에서의 방전 사이클 중에, Li 이온은 전해질을 통해 애노드로부터 캐소드를 향해 이주한다. 방전 사이클 중에, 전자는 애노드를 떠나 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다. 본 명세서에서 사용된 캐소드 영역은 캐소드를 포함하는 전기화학 전지의 물리적 면적이다. 본 명세서에서 사용된 애노드 영역은 애노드를 포함하는 전지화학 전지의 물리적 면적이다. 본 명세서에서 사용된 전해질 영역은 전해질과 캐소드를 포함하는 전기화학 전지의 물리적 면적이다.As used herein, the terms "cathode" and "anode " refer to battery electrodes. During the charging cycle in the Li-secondary battery, Li ions leave the cathode and travel to the anode through the electrolyte. During the charge cycle, the electrons leave the cathode and travel to the anode via an external circuit. During the discharge cycle in the Li-secondary battery, Li ions migrate from the anode toward the cathode through the electrolyte. During the discharge cycle, the electrons leave the anode and travel to the cathode through the external circuit. The cathode region used herein is the physical area of the electrochemical cell including the cathode. The anode region used herein is the physical area of the battery chemistry cell comprising the anode. The electrolyte region used herein is the physical area of an electrochemical cell comprising an electrolyte and a cathode.

본 명세서에서 사용된 용어 "전해질"은 이온, 예를 들어, Li+이 이를 통해 이주하도록 허용하지만 전자가 이를 통해 전도되도록 허용하지 않는 물질을 지칭한다. 전해질은 이차 배터리의 캐소드 및 애노드를 전기적으로 절연시키는 한편 이온, 예를 들어, Li+이 전해질을 통해 전도되도록 허용하는데 유용하다. 본 명세서에서 사용된 용어 "전해질"은 또한 이온전도성이고 전기절연성인 물질을 지칭한다. 고체 전해질은 특히 강성 구조를 통한 이온 호핑에 좌우된다. 고체 전해질은 또한 빠른 이온 전도체 또는 초-이온 전도체로도 지칭될 수 있다. 고체 전해질은 또한 전지의 양극 및 음극을 전기적으로 절연시키는데 사용될 수 있는 한편, 전해질을 통해 이온, 예를 들어, Li+의 전도를 허용한다. 이 경우에, 고체 전해질 층은 고체 전해질 분리기(solid electrolyte separator)로도 지칭될 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 일부 전해질로는 Li2S-SiS2, Li-SiS2, Li-S-Si, 및/또는 Li, S, 및 Si로 본질적으로 구성된 음극전해질(catholyte), LixSiySz(여기에서 0.33≤x≤0.5, 0.1≤y≤0.2, 0.4≤z≤0.55이고 10 원자% 이하의 산소를 포함할 수 있음), Li2S 및 SiS2의 혼합물(여기에서 Li2S:SiS2의 비는 90:10, 85:15, 80:20, 75:25, 70:30, 2:1, 65:35, 60:40, 55:45, 또는 50:50 몰비임), Li2S-SnS2, Li2S-SnS, Li-S-Sn, 및/또는 Li, S, 및 Sn으로 본질적으로 구성된 음극전해질, LixSnySz(여기에서 0.25≤x≤0.65, 0.05≤y≤0.2, 및 0.25≤z≤0.65 임), 80:20, 75:25, 70:30, 2:1, 또는 1:1 몰비의 Li2S 및 SnS2의 혼합물(10 원자% 이하의 산소를 포함할 수 있고/있거나 Bi, Sb, As, P, B, Al, Ge, Ga, 및/또는 In에 의해 도핑될 수 있음)를 들 수 있으나 이로 제한되지는 않는다. 기타 적합한 전해질은, 예를 들어, 발명의 명칭이 LIAMPBSC(M=Si, Ge, 및/또는 Sn)를 이용한 배터리용 고체 상태 음극전해질 또는 전해질이고 2014년 5월 16일자 출원되었으며, 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된 국제 특허 출원 제PCT/US2014/038283호에서 발견된다. 기타 적합한 전해질로는 LixPySz(여기에서 0.33≤x≤0.67, 0.07≤y≤0.2 및 0.4≤z≤0.55임), 또는 Li2S:P2S5 혼합물(여기에서 몰비는 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1, 7:3, 2:1, 또는 1:1임), 또한 LixPySzOw(여기에서 0.33≤x≤0.67, 0.07≤y≤0.2, 0.4≤z≤0.55, 0≤w≤0.15임)를 들 수 있다. 기타 적합한 전해질로는 석류석 결정 구조와 관련된 결정 구조를 특징으로 하는 Li-함유 석류석 옥사이드를 들 수 있다. Li-함유 석류석은 화학식 LiaLabM'cM"dZreOf, LiaLabM'cM"dTaeOf, 또는 LiaLabM'cM"dNbeOf(여기에서 4<a<8.5, 1.5<b<4, 0≤c≤2, 0≤d≤2; 0≤e<2, 10<f<13이고, M' 및 M"는 각각 독립적으로 각 경우에 Al, Mo, W, Nb, Sb, Ca, Ba, Sr, Ce, Hf, Rb, 또는 Ta 중에서 선택됨), 또는 LiaLabZrcAldMe"eOf(여기에서 5<a<7.7, 2<b<4, 0<c≤2.5, 0≤d<2, 0≤e<2, 10<f<13이고, Me"는 Nb, Ta, V, W, Mo, 또는 Sb 중에서 선택되는 금속임)을 나타내는 화합물 및 본 명세서에 기재된 바와 같은 화합물을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 "석류석"은 Al2O3로 도핑된 상기 기재된 석류석도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 석류석은 Al3+가 Li+를 치환하도록 도핑된 상기 기재된 석류석도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 Li-함유 석류석, 및 석류석은 일반적으로 Li7.0La3(Zrt1+Nbt2+Tat3)O12 + 0.35Al2O3(여기에서 La:(Zr/Nb/Ta) 비는 3:2이 되도록 (t1+t2+t3=아랫첨자 2)임)를 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 또한, 본 명세서에 사용된 석류석 및 리튬-함유 석류석은 LixLa3Zr2O12 + yAl2O3(여기에서 x는 5.5 내지 9의 범위이고; y는 0 내지 1의 범위임)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서 x는 7이고 y는 1.0이다. 일부 실시양태에서 x는 7이고 y는 0.35이다. 일부 실시양태에서 x는 7이고 y는 0.7이다. 일부 실시양태에서 x는 7이고 y는 0.4이다. 또한, 본 명세서에 사용된 석류석은 LixLa3Zr2O12 + yAl2O3를 포함할 수 있다. 예시적인 리튬-함유 석류석은 발명의 명칭이 Li 이차 배터리용 석류석 물질 및 석류석 물질의 제조 및 사용 방법이고 2014년 10월 7일자 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US2014/059575호 및 제PCT/US2014/059578호에 기술된 조성물에서 발견된다. As used herein, the term "electrolyte" refers to a material that allows ions, e.g., Li &lt; + &gt; to migrate therethrough, but does not allow electrons to conduct through it. The electrolyte is useful for electrically insulating the cathode and the anode of the secondary battery while allowing ions, e.g., Li &lt; + &gt; to conduct through the electrolyte. The term "electrolyte &quot;, as used herein, refers also to materials that are ion conductive and electrically insulating. Solid electrolytes are particularly dependent on ion hopping through the rigid structure. Solid electrolytes can also be referred to as fast ionic or superionic conductors. The solid electrolyte can also be used to electrically insulate the positive and negative electrodes of the cell while allowing the conduction of ions, for example Li &lt; + &gt; through the electrolyte. In this case, the solid electrolyte layer may also be referred to as a solid electrolyte separator. In some electrolyte suitable for use in the present invention include Li 2 S-SiS 2, Li -SiS 2, Li-S-Si, and / or Li, S, and Si essentially negative electrolyte (catholyte) is configured, in Li x Si y S z wherein 0.33? X? 0.5, 0.1? Y? 0.2, 0.4? Z ? 0.55 and may contain up to 10 atomic percent oxygen, a mixture of Li 2 S and SiS 2 , S 2: the ratio of SiS 2 is 90: 10, 85:15, 80:20, 75:25, 70:30, 2:01, 65:35, 60:40, 55:45, or 50:50 mol beam ), Li 2 S-SnS 2 , Li 2 S-SnS, Li-S-Sn, and / or a negative electrode electrolyte consisting essentially of Li, S, and Sn, Li x Sn y S z 0.65, 0.05? Y? 0.2, and 0.25? Z? 0.65), 80:20, 75:25, 70:30, 2: 1, or a mixture of Li 2 S and SnS 2 Or less, and / or may be doped with Bi, Sb, As, P, B, Al, Ge, Ga, and / or In. Other suitable electrolytes are solid state cathode electrolytes or electrolytes for batteries using, for example, the name LI A MP B S C (M = Si, Ge, and / or Sn) and are filed on May 16, 2014 , PCT / US2014 / 038283, the entire contents of which are incorporated herein by reference. Other suitable electrolytes include Li x P y S z where 0.33 ≤ x ≤ 0.67, 0.07 ≤ y ≤ 0.2 and 0.4 ≤ z ≤ 0.55, or a Li 2 S: P 2 S 5 mixture where the molar ratio is 10 3: 1, 7: 3, 2: 1, or 1: 1), and Li x P y S z O w (where 0.33? x? 0.67, 0.07? y? 0.2, 0.4? z? 0.55, 0? w ? 0.15). Other suitable electrolytes include Li-containing garnet oxides characterized by a crystal structure related to the garnet crystal structure. Li- containing garnet of the formula Li a La b M 'c M "d Zr e O f, Li a La b M' c M" d Ta e O f, or Li a La b M 'c M "d Nb e O f (here 4 <a <8.5, 1.5 < b <4, 0≤c≤2, 0≤d≤2; 0≤e <2, 10 <f <13 , and, M 'and M "are each independently (In each case selected from Al, Mo, W, Nb, Sb, Ca, Ba, Sr, Ce, Hf, Rb or Ta) or Li a La b Zr c Al d Me e e f, Me, Nb, Ta, V, W, Mo, or Sb, where a <7.7, 2 <b <4, 0 <c≤2.5, 0≤d <2, 0≤e <2, 10 <f < , &Lt; / RTI &gt; and compounds such as those described herein. The "garnet" as used herein also includes the above-described garnet doped with Al 2 O 3. The garnet used herein also includes garnet as described above doped such that Al &lt; 3 + & gt ; replaces Li &lt; + & gt ;. Containing the Li- used herein, garnet, garnet, and is generally 7.0 La 3 Li (Nb + Zr t1 t2 t3 + Ta) O 12 + 0.35Al 2 O 3 (where La: (Zr / Nb / Ta ) ratio (T1 + t2 + t3 = subscript 2) to be 3: 2. In addition, the garnet and lithium-containing garnet used herein include Li x La 3 Zr 2 O 12 + yAl 2 O 3 where x ranges from 5.5 to 9 and y ranges from 0 to 1 can do. In some embodiments, x is 7 and y is 1.0. In some embodiments, x is 7 and y is 0.35. In some embodiments, x is 7 and y is 0.7. In some embodiments, x is 7 and y is 0.4. Further, the garnet used in the present specification may include Li x La 3 Zr 2 O 12 + yAl 2 O 3 . Exemplary lithium-bearing garnets are described in U.S. Patent Application No. PCT / US2014 / 059575 and PCT / US2014 / 059575, filed October 7, 2014, 059578, which is incorporated herein by reference.

본 명세서에서 사용된 구문 "변환 화학 활물질" 또는 "변환 화학 물질"은 이차 배터리의 충전 및 방전 사이클 중에 화학 반응을 겪는 물질을 지칭한다. 본 발명에 유용한 변환 화학 물질은 LiF, Fe, Cu, Ni, FeF2, FeOdF3-2d, FeF3, CoF3, CoF2, CuF2, NiF2(여기에서 0≤d≤0.5) 등을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다. 예시적인 변환 화학 물질은, 예를 들어, 각각 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된, 발명의 명칭이 "자기 형성 배터리용 불화금속 조성물"이고 2013년 10월 25일자 출원된 미국 특허 공개 제2014/0117291호 및 발명의 명칭이 "이차 배터리 캐소드용 도핑된 변환 물질"이고 2014년 8월 15일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/038,059호에서 발견된다. 예시적인 변환 화학 물질은, 예를 들어, 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된, 미국 특허 출원 제13/922,214호로 2013년 6월 19일자 출원되고 발명의 명칭이 "전기화학적 변환 반응용 나노구조 물질"인 미국 특허 출원 공개 제2014/0170493호에서 발견된다.As used herein, the phrase " converting chemical active "or" converting chemical "refers to a material that undergoes a chemical reaction during the charging and discharging cycles of a secondary battery. Conversion chemicals useful in the present invention are LiF, Fe, Cu, Ni, FeF 2, FeO d F 3-2d, FeF 3, CoF 3, CoF 2, CuF 2, NiF 2 ( here 0≤d≤0.5), etc. But are not limited thereto. Exemplary conversion chemistries are described, for example, in U. S. Patent Application No. &lt; RTI ID = 0.0 &gt; U. &lt; / RTI &gt; filed October 25,2013, entitled " No. 2014/0117291, entitled "Doped Conversion Material for Secondary Battery Cathode," and U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 038,059, filed August 15, Exemplary conversion chemicals are described, for example, in U.S. Patent Application No. 13 / 922,214, filed June 19, 2013, the entire content of which is incorporated herein by reference, and is entitled "For electrochemical conversion reactions Quot; nanostructured material "in U.S. Patent Application Publication No. 2014/0170493.

본 명세서에서 사용된 용어 C/1의 "C-속도(C-rate)"는 명판 용량(nameplate capacity)이 1 시간에 방전되는 정전류 사이클로서 정의된다. C/X의 C-속도는 상기 속도를 기준으로 하여 정의되며, 여기에서 충전 및 방전 전류는 C/1에서의 전류의 1/X이며, 이는 X 시간 정전류에서의 완전 방전에 대략적으로 상응한다.As used herein, the term "C-rate" of the term C / 1 is defined as a constant current cycle in which the nameplate capacity is discharged in one hour. The C-rate of C / X is defined on the basis of the rate, where the charge and discharge current is 1 / X of the current at C / 1, which roughly corresponds to the full discharge at the X time constant current.

본 명세서에서 사용된 구문 "삽입 화학 물질" 또는 "삽입 화학 활물질"은 이차 배터리의 충전 및 방전 사이클 중에 리튬 첨가 반응을 겪는 물질을 지칭한다. 예를 들어, 삽입 화학 물질은 LiFePO4 및 LiCoO2를 포함한다. 이들 물질에서, Li+는 이차 배터리의 방전 및 충전 사이클 중에 삽입 물질 내로 첨가되고 또한 삽입 물질 밖으로 빠져나온다.The phrase "intercalating chemical" or "intercalating chemical active" as used herein refers to a material that undergoes a lithium addition reaction during the charging and discharging cycles of a secondary battery. For example, inserts the chemical comprises LiFePO 4 and LiCoO 2. In these materials, Li &lt; + &gt; is added into the intercalating material during the discharging and charging cycles of the secondary battery and also escapes out of the intercalating material.

본 명세서에서 사용된 "불화금속"(MF)은 금속 구성요소 및 불소(F) 구성요소를 포함하는 물질을 지칭한다. MF는 임의로 리튬(Li) 구성요소를 포함할 수 있다. 충전된 상태에서, MF는 방전된 상태에서의 불화리튬염 및 환원된 금속으로 변환될 수 있는 금속 불화물을 포함한다. 예를 들어, 충전된 상태의 MF는 하기 반응에 따라 배터리의 방전 중에 금속 및 불화리튬으로 변환될 수 있다: Li + MF → LiF + M. 본 발명에 유용한 MF로는 LiF, LizFeF3, LizCuF2, LizNiF2, LizCoF2, LizCoF3, LizMnF2, LizMnF3(여기에서 0≤z≤3) 등을 들 수 있으나 이로 제한되지는 않는다. 일부 실시양태에서, MF는 나노치수일 수 있으며, 일부 실시양태에서, MF는 나노도메인의 형태이다. 일부 실시양태에서, MF는 LiF일 수 있으며 추가로 나노치수의 금속, 예컨대 Fe, Co, Mn, Cu, Ni, Zr, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명에 유용한 MF로는, 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된, 미국 특허 출원 제13/922,214호로 2013년 6월 19일자 출원되고 발명의 명칭이 "전기화학적 변환 반응용 나노구조 물질"인 미국 특허 출원 공개 제2014/0170493호에 기술된 것들을 들 수 있다. 본 발명에 유용한 MF로는 또한, 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에서 포함된, 발명의 명칭이 "이차 배터리 캐소드용 도핑된 변환 물질"이고 2014년 8월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/038,059호에 기술된 것들을 들 수 있다.As used herein, "metal fluoride" (MF) refers to a material comprising a metal component and a fluorine (F) component. The MF may optionally comprise a lithium (Li) component. In the charged state, MF comprises a lithium fluoride salt in a discharged state and a metal fluoride which can be converted to a reduced metal. For example, the charged MF can be converted to metal and lithium fluoride during discharge of the battery according to the following reaction: Li + MF - &gt; LiF + M. MFs useful in the present invention include LiF, Li z FeF 3 , Li z CuF 2 , Li z NiF 2 , Li z CoF 2 , Li z CoF 3 , Li z MnF 2 , and Li z MnF 3 (where 0? z ? 3 ). In some embodiments, the MF can be a nanoscale dimension, and in some embodiments, the MF is in the form of a nanodomain. In some embodiments, the MF can be LiF and can further include nano-sized metals such as Fe, Co, Mn, Cu, Ni, Zr, or combinations thereof. MFs useful for the present invention are described in U.S. Patent Application No. 13 / 922,214, filed June 19, 2013, entitled "Nanostructured Material for Electrochemical Transformation Reaction," filed June 19, 2013, the entire contents of which are incorporated herein by reference. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 2014/0170493. &Lt; / RTI &gt; MF &lt; / RTI &gt; useful for the present invention are also referred to herein as "doped conversion materials for secondary battery cathodes &quot;, the entire contents of which are incorporated herein by reference, and US patent application Ser. 62 / 038,059.

본 명세서에서 사용된 구문 "양극"은 양이온, 예를 들어, Li+이 배터리 방전 중에 이를 향해 전도되거나, 흐르거나 이동하는 이차 배터리 내의 전극을 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 구문 "음극"은 양이온, 예를 들어, Li+이 배터리 방전 중에 이로부터 흐르거나 이동하는 이차 배터리 내의 전극을 지칭한다. Li-금속 전극과 변환 화학 전극(conversion chemistry electrode; 즉, 활물질; 예를 들어, NiFx)으로 구성된 배터리에서, 변환 화학 물질을 갖는 전극은 양극으로 지칭된다. 일부 통상의 사용에서, 캐소드는 양극 대신에 사용되며, 애노드는 음극 대신에 사용된다. Li-이차 배터리가 충전될 때, Li 이온은 양극(예: NiFx)으로부터 음극(Li-금속)을 향해 이동한다. Li-이차 배터리가 방전될 때, Li 이온은 양극(예: NiFx; 즉, 캐소드)을 향해 음극(예: Li-금속; 즉, 애노드)으로부터 이동한다.As used herein, the phrase "anode" refers to an electrode in a secondary battery in which a cation, e.g., Li + , conducts, flows or moves toward it during battery discharge. The phrase "cathode &quot;, as used herein, refers to an electrode in a secondary battery in which a cation, e.g., Li + , flows or moves from it during battery discharge. In a battery composed of a Li-metal electrode and a conversion chemistry electrode (i. E., An active material, e.g., NiF x ), the electrode with the conversion chemical is referred to as the anode. In some typical uses, the cathode is used instead of the anode, and the anode is used instead of the cathode. When the Li-secondary battery is charged, Li ions move from the anode (for example, NiF x ) toward the cathode (Li-metal). When the Li-secondary battery is discharged, Li ions migrate from the cathode (e.g., Li-metal; i.e., the anode) toward the anode (e.g., NiF x ;

본 명세서에서 사용된 용어 "음극전해질"은 양극 활물질과 긴밀하게 혼합되거나 이를 둘러싸거나 접촉하는 이온 전도체를 지칭한다. 음극전해질은 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함되며 발명의 명칭이 "LiAMPBSC(M=Si, Ge, 및/또는 Sn)를 사용하는 배터리용 고체 상태 음극전해질 또는 전해질"이고 2014년 5월 15일자 출원된 PCT 국제 특허출원 제PCT/US14/38283호에 기술된 음극전해질을 포함한다. 음극전해질은 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함되며 발명의 명칭이 "Li 이차 배터리용 석류석 물질 및 석류석 물질의 제조 및 사용 방법"이고 2014년 10월 7일자 출원된 PCT 국제 특허출원 제PCT/US2014/059575호에 기술된 음극전해질을 포함한다.The term "negative electrode electrolyte " as used herein refers to an ion conductor that is intimately mixed with or surrounds or contacts the positive electrode active material. Negative electrolyte is incorporated herein by reference in their entireties title of the invention is "Li A MP B S C ( M = Si, Ge, and / or Sn) solid state cathode electrolyte or electrolyte for batteries using the" And the cathode electrolyte described in PCT International Patent Application No. PCT / US14 / 38283, filed May 15,2014. The cathode electrolyte is incorporated herein by reference in its entirety and is entitled " Method for making and using garnet material and garnet material for Li secondary batteries &quot;, PCT International Patent Application No. PCT / US2014 / 059575. &Lt; / RTI &gt;

본 명세서에서 사용된 구문 "약 70 %w/w"은 단어 약에 의해 수식된 수치 주위로 ±10%를 포함하는 범위를 지칭한다. 예를 들어, 약 70은 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 또는 77을 포함한다. 예를 들어, 약 30은 27, 28, 29, 30, 31, 32, 또는 33을 포함한다.As used herein, the phrase "about 70% w / w" refers to a range including +/- 10% around the value modified by the word drug. For example, about 70 includes 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, For example, approximately 30 includes 27, 28, 29, 30, 31, 32, or 33.

본 명세서에서 사용된 구문 "실질적으로 구분된"은 다른 물질과 공간적으로 분리되어 있는 한 물질과의 사이에 관찰가능한 구별이 존재하는 층상 물질을 지칭한다. 일부 실시예에서, 2 가지 이상의 물질이 실질적으로 구분되어 있는 경우, 이들 물질은 공간적으로 분리되어 있거나 상호간에 구분되어 있다. As used herein, the phrase "substantially separated" refers to a layered material in which there is an observable distinction between a material that is spatially separated from other materials. In some embodiments, when two or more materials are substantially separated, these materials may be spatially separated or mutually separated.

본 명세서에서 사용된 구문 "근접한"은 2 가지 이상의 물질의 상대적인 위치를 지칭하며 다른 물질에 근접한 물질은 그 다른 물질에 가장 가까움을 의미한다.As used herein, the phrase "adjacent" refers to the relative location of two or more materials, while a material proximate to another material is closest to the other material.

본 명세서에서 사용된 구문 "제공하는"은 제공되는 것의 제공, 발생, 제시, 또는 전달을 지칭한다. 제공함은 무언가를 사용가능하게 함을 포함한다. 예를 들어, LiF를 제공함은 LiF를 이용가능하게 하거나 LiF를 전달하여 LiF가 본 명세서에 기재된 방법에 기술된 대로 사용될 수 있도록 하는 과정을 지칭한다.The phrase " providing ", as used herein, refers to providing, generating, presenting, or communicating what is provided. Providing includes enabling something. For example, providing LiF refers to the process of making LiF available or transferring LiF so that LiF can be used as described in the methods described herein.

본 발명은 배터리 디바이스 및 이들의 구성요소 뿐아니라 이를 제조하고 사용하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에 기술된 실시양태는 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질을 양자 모두 포함하는 배터리 전극(예: 양극)을 제공하며, 이는 자동차 응용에 사용될 수 있다. 다른 실시양태들도 존재한다.The present invention relates to battery devices and components thereof, as well as methods of making and using the same. More specifically, the embodiments described herein provide a battery electrode (e.g., an anode) that includes both an interstitial chemical and a conversion chemistry, which can be used in automotive applications. Other embodiments exist.

하기 상세한 설명은 당업자로 하여금 본 명세서에 기술된 디바이스 및 구성요소를 제조 및 이용할 수 있도록 하며 특정 응용의 맥락에서 이들을 포함시킬 수 있도록 제공된다. 다양한 변형 뿐아니라 상이한 응용에서의 각종 용도들이 당업자에게 용이하게 명백해질 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 광범위한 실시양태에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명을 제시된 실시양태로 제한하고자 하지 않으며, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합시키고자 한다.The following detailed description is presented to enable those skilled in the art to make and use the devices and components described herein and to include them in the context of a particular application. Various modifications as well as various uses in different applications will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to a wide variety of embodiments. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the embodiments shown, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

하기 상세한 설명에서는, 본 명세서에 기술된 발명의 더욱 완전한 이해를 제공하기 위하여 많은 특이적 상세사항들이 기술된다. 그러나, 본 발명이 이들 특이적 상세사항으로 필수적으로 제한되지 않고도 실시될 수 있음이 당업자에게 명백해질 것이다. 다른 경우에, 본 명세서에 기술된 발명을 불명확하게 함을 피하기 위하여, 상세하게 나타내기 보다는 블록 도표의 형태로 주지의 구조 및 디바이스를 나타낸다.In the following detailed description, numerous specific details are set forth in order to provide a more thorough understanding of the invention described herein. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced without necessarily being limited to these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form rather than in detail in order to avoid obscuring the invention described herein.

독자의 관심은 본 명세서와 함께 제출된 모든 논문 및 문서에 향해 있으며, 이들은 본 명세서와 함께 공중의 열람에 개방되어 있고, 이러한 모든 논문 및 문서의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서(임의의 첨부된 청구범위, 요약서, 및 도면 포함)에 개시된 모든 특징은 동일하거나 균등하거나 유사한 목적을 제공하는 대안적인 특징에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 특징은 일련의 포괄적인 균등하거나 유사한 특징들의 일례일 뿐이다. The reader's attention is directed to all articles and documents submitted with this specification, which are open to public reading with this specification, and the contents of all such articles and documents are hereby incorporated by reference. Unless expressly stated otherwise, all features disclosed in this specification (including any accompanying claims, summaries, and drawings) may be replaced by alternative features that provide the same, equivalent, or similar purpose. Thus, unless explicitly stated otherwise, each feature disclosed is merely one example of a set of generic equivalent or similar features.

또한, 35 U.S.C. 섹션 112, 단락 6에 특정된 바와 같이, 청구범위에서 특정된 작용을 실행하기 위한 "수단" 또는 특이적 작용을 실행하기 위한 "단계"를 명백히 언급하지 않은 임의의 요소는 "수단" 또는 "단계" 절로 해석되고자 하지 않는다. 특히, 본 청구범위에서 "의 단계" 또는 "의 행위"의 사용은 35 U.S.C. 112, 단락 6의 규정을 적용하고자 하지 않는다.Also, 35 U.S.C. Any element that does not explicitly mention "a means" or a "step" for performing a specified action in a claim, as specified in section 112, paragraph 6, "I do not want to be interpreted as a section. In particular, the use of "steps" or "acts" 112 does not wish to apply the provisions of paragraph 6.

사용되는 경우, 좌측, 우측, 전, 후, 상부, 하부, 순방향, 역방향, 시계방향 및 시계반대방향의 표시는 단지 편의상 사용된 것으로서 임의의 특정한 고정 방향을 의미하고자 하지 않음에 주목하여야 한다. 대신에, 이들은 물체의 다양한 부분 사이의 상대적인 위치 및/또는 방향을 반영하고자 사용된다. It should be noted that if used, the indications in the left, right, front, back, top, bottom, forward, reverse, clockwise and counterclockwise directions are merely for convenience and do not imply any particular fixed orientation. Instead, they are used to reflect the relative position and / or orientation between various parts of the object.

가장 일반적인 작동 조건(예: 0 ℃ 초과의 온도) 하에, 변환 화학 캐소드에 의존하는 이차 에너지 저장 디바이스는 삽입 화학 캐소드를 갖는 배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 더 양호한 성능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 변환 화학 캐소드는 1000 mWh/g 초과의 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 또한, 특정 유형의 변환 화학 캐소드는 고온 수준(예: 50 ℃ 초과, 또는 80 ℃ 초과, 또는 100 ℃ 초과)에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 변환 화학 물질 및 그의 방법은 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 원용에 의해 본 명세서에 포함되고 발명의 명칭이 "전기화학적 변환 반응용 나노구조 물질"이며 2013년 6월 19일자 출원된 미국 특허 출원 제13/922,214호에 기재되어 있다. 예를 들어, 변환 화학 물질 및 그의 방법은 양자 모두 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 원용에 의해 본 명세서에 포함된 가특허 출원으로서 발명의 명칭이 "이차 배터리 캐소드용 도핑된 변환 물질"이며 2014년 8월 15일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/038,059호 및 발명의 명칭이 "이차 배터리 캐소드용 도핑된 변환 물질"이며 2014년 8월 28일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/043,353호에 기재되어 있다.Under the most common operating conditions (e.g., temperatures in excess of 0 ° C), secondary energy storage devices that rely on the conversion chemical cathode can provide higher energy density and better performance than batteries with intercalated chemical cathodes. For example, the converted chemical cathode may provide an energy density of greater than 1000 mWh / g. In addition, certain types of converted chemical cathodes can operate at high temperature levels (e.g., greater than 50 ° C, or greater than 80 ° C, or greater than 100 ° C). For example, the conversion chemistry and its method are described in U.S. Patent Nos. 5,102, 607, and 5,198, which are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes, and are entitled " U.S. Patent Application No. 13 / 922,214. For example, the conversion chemistry and its method are both incorporated herein by reference for all purposes, the entire contents of which are hereby incorporated by reference as "the doped conversion material for secondary battery cathodes & U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 038,059, filed on August 15, and U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 043,353, filed August 28, 2014, entitled "Doped Conversion Material for Secondary Battery Cathode" .

변환 화학 캐소드에 대한 특이적 성능 특성 및 작동 조건이 있다. 본 발명의 이행에 따라, 캐소드(즉, 양극)는 빠른 동력학(고 전력 용량)을 나타내는 활물질 입자와 더 느린 동력학이지만 고 에너지 밀도를 나타내는 활물질 입자를 포함할 수 있다. 변환 화학 캐소드는 고 수준의 에너지 밀도를 제공할 수 있지만, 일부 조건에서는 저 전력 밀도를 제공한다. 예를 들어, 저온(예를 들어 <0 ℃)에서, 변환 물질은 삽입 물질과 비교하여 저 전력 밀도를 나타낼 수 있다. 비교해보면, 삽입 화학 캐소드는 전형적으로 비교적 낮은 에너지 밀도, 그러나 비교적 높은 전력 밀도를 나타낸다.There are specific performance characteristics and operating conditions for the conversion chemical cathode. According to the implementation of the present invention, the cathode (i.e., anode) may include active material particles exhibiting fast kinetics (high power capacity) and active material particles exhibiting a slower kinetics but high energy density. The converted chemical cathode can provide a high level of energy density, but in some conditions it provides a lower power density. For example, at low temperatures (e.g., < 0 [deg.] C), the conversion material may exhibit a lower power density compared to the intercalation material. In comparison, the intercalated chemical cathode typically exhibits a relatively low energy density, but a relatively high power density.

따라서, 본 명세서에 개시된 실시양태는 삽입 옥사이드 입자(예: LiMPO4(M=Fe, Ni, Co, Mn), LixTiyOz(여기에서 x는 0 내지 8이고, y는 1 내지 12이며, z는 1 내지 24임), LiMn2O4, LiMn2-aNiaO4(여기에서 a는 0 내지 2임), LiCoO2, Li(NiCoMn)O2, Li(NiCoAl)O2, 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드[NCA], 및 관련 삽입 옥사이드)와 함께 고 에너지 밀도의 변환 화학 입자(예: FeF2, FeOxF3-2x, FeF3, CoF3, CuF2, NiF2 등)를 포함하는 양극을 제공하는 것으로 인정된다. 부가적인 삽입 옥사이드 입자는 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 원용에 의해 본 명세서에 포함되고 발명의 명칭이 "리튬이 풍부한 니켈 망간 옥사이드"이며 2014년 12월 23일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/096,510호에서 발견된다. 목적하는 성능을 얻기 위하여, 변환 및 삽입 물질은 본 명세서에 기술된 방법에 따라 혼합되거나(예: 응용에 따라 동종 또는 이종으로), 층을 이루거나, 다중층을 이루거나, 경사지거나, 작동된다. 예를 들어, 펄스(고 전력 수요) 회생 충전 또는 펄스 방전의 조건 하에, 전력은 삽입 화학 활물질로부터 인출될 수 있다. 선택되고 함께 제형화된 물질에 따라, 삽입 전압은 변환 전압을 초과하거나 미만일 수 있다. 초과하는 경우에는 재충전 중에 삽입 화학이 이용되어 최고 전압을 제공하며, 미만인 경우에는 방전 중에 삽입 화학이 이용되어 최저 전압을 제공한다. 상세한 설명이 이하 제공된다.Accordingly, the herein disclosed embodiments is inserted into oxide particles (such as: LiMPO 4 (M = Fe, Ni, Co, Mn), Li x Ti y O z (where x is 0 to 8, y is 1 to 12 (Where a is 0 to 2), LiCoO 2 , Li (NiCoMn) O 2 , Li (NiCoAl) O 2 (where n is 1 to 24), LiMn 2 O 4 , LiMn 2-a Ni a O 4 (Such as FeF 2 , FeO x F 3-2x , FeF 3 , CoF 3 , CuF 2 , NiF 2, etc.) with high energy density (eg, nickel cobalt aluminum oxide [NCA] Quot; is &lt; / RTI &gt; Additional insert oxide particles are described in U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 542,123, filed December 23, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference for all purposes and are entitled &quot; Lithium-rich nickel manganese oxide " 096,510. In order to achieve the desired performance, the conversion and intercalation materials may be mixed (e.g., homogeneous or heterogeneous depending on the application), layered, multi-layered, beveled, or actuated according to the methods described herein . For example, under the conditions of pulse (high power demand) regenerative charge or pulse discharge, power can be drawn from the inserted chemical active material. Depending on the material selected and formulated together, the insertion voltage may be greater than or less than the conversion voltage. If exceeded, the insertion chemistry is used during recharging to provide the highest voltage, and if less, the insertion chemistry is used during discharge to provide the lowest voltage. A detailed description is provided below.

이행에 따라, 삽입 및 변환 물질이 다양한 방식으로 혼합될 수 있다. 도 1은 본 명세서에 기술된 발명의 일 실시양태에 따라 무작위로 혼합된 삽입 물질과 변환 물질을 포함하는 캐소드 물질을 설명하는 단순화된 도표이다. 본 도표는 단지 일례일 뿐이며, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 도 1에서, 그늘진 원들은 삽입 물질 입자를 나타내며, 그늘지지 않은 원들은 변환 물질 입자를 나타낸다. 자동차 응용에서, 전기 차량(또는 전기 모터를 갖는 하이브리드 차량)에 동력을 공급하는데 배터리가 사용되는 경우에, 대부분의 작동에 있어서 에너지 용량은 종종 전력 용량보다 더 중요하다. 이와 같이, 본 명세서의 일부 실시예에서, 삽입 물질보다 비교적 더 높은 에너지 용량을 나타내는 변환 화학 물질은 변환 화학 물질 및 삽입 화학 물질을 양자 모두 포함하는 하이브리드 양극에서 주된 구성요소로서 제형화된다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 변환 화학 물질보다 더 적은 양의 삽입 화학 물질이 제공된다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 캐소드 물질의 조성은 20% 미만의 삽입 물질과 나머지 퍼센트의 변환 화학 물질을 나타낸다. 이행에 따라, 삽입 물질과 변환 물질 사이의 비율은 변화할 수 있다.In accordance with the transition, the insertion and conversion materials can be mixed in various ways. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a simplified diagram illustrating a cathode material comprising a randomly mixed intercalation material and a conversion material according to one embodiment of the invention described herein. This diagram is merely an example and should not be unduly limited to claims. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. In Fig. 1, the shaded circles represent intercalated material particles and the unshaded circles represent transitional material particles. In automotive applications, when a battery is used to power an electric vehicle (or a hybrid vehicle with an electric motor), the energy capacity is often more important than the power capacity in most operations. Thus, in some embodiments herein, a conversion chemistry that exhibits a relatively higher energy capacity than the insertion material is formulated as a major component in a hybrid anode that includes both a conversion chemistry and an insertion chemistry. For example, as shown in Figure 1, a smaller amount of intercalating chemical is provided than the conversion chemistry. In some embodiments, the composition of the cathode material described herein exhibits less than 20% intercalant material and the remaining percent conversion chemistry. In accordance with the transition, the ratio between the intercalating material and the converting material may vary.

일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 99:1이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 98:2이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 97:3이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 96:4이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 95:5이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 94:6이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 93:7이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 92:8이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 91:9이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 90:10이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 89:11이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 88:12이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 87:13이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 86:14이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 85:15이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 84:16이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 83:17이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 82:18이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 81:19이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 80:20이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 79:21이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 78:22이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 77:23이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 76:24이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 75:15이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 74:26이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 73:27이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 72:28이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 71:29이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 70:30이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 69:31이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 68:32이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 67:33이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 66:34이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 65:35이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 64:36이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 63:37이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 62:38이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 61:39이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 60:40이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 59:41이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 58:42이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 57:43이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 56:44이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 55:45이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 54:46이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 53:47이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 52:48이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 부피비는 51:49이다.In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 99: 1. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 98: 2. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 97: 3. In certain embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 96: 4. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 95: 5. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 94: 6. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 93: 7. In a particular embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 92: 8. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 91: 9. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 90:10. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 89: 11. In a specific embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 88:12. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 87:13. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 86:14. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 85:15. In a specific embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 84:16. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 83:17. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 82:18. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 81:19. In a specific embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 80:20. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 79:21. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 78:22. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 77:23. In a specific embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 76:24. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 75:15. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 74:26. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 73:27. In a particular embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 72:28. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 71:29. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 70:30. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 69: 31. In certain embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 68:32. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 67:33. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 66:34. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 65:35. In a specific embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 64:36. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 63:37. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 62:38. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 61:39. In a particular embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 60:40. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 59:41. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 58:42. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 57:43. In a specific embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 56:44. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 55:45. In some other embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 54: 46. In another embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 53:47. In a particular embodiment, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 52:48. In some embodiments, the volume ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 51:49.

일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 99:1이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 98:2이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 97:3이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 96:4이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 95:5이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 94:6이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 93:7이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 92:8이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 91:9이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 90:10이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 89:11이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 88:12이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 87:13이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 86:14이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 85:15이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 84:16이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 83:17이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 82:18이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 81:19이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 80:20이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 79:21이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 78:22이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 77:23이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 76:24이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 75:15이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 74:26이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 73:27이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 72:28이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 71:29이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 70:30이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 69:31이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 68:32이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 67:33이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 66:34이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 65:35이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 64:36이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 63:37이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 62:38이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 61:39이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 60:40이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 59:41이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 58:42이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 57:43이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 56:44이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 55:45이다. 일부 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 54:46이다. 다른 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 53:47이다. 특정 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 52:48이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 활물질 대 삽입 화학 활물질의 각각의 중량비는 51:49이다. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 99: 1. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 98: 2. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 97: 3. In a particular embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 96: 4. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 95: 5. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 94: 6. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 93: 7. In a specific embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 92: 8. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 91: 9. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 90:10. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 89:11. In a particular embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 88:12. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 87:13. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 86:14. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 85:15. In a particular embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 84:16. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 83:17. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 82:18. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 81:19. In a specific embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 80:20. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 79:21. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 78:22. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 77:23. In a specific embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 76:24. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 75:15. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 74:26. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 73:27. In a particular embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 72:28. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 71:29. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 70:30. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 69: 31. In a specific embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 68:32. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 67:33. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 66:34. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 65:35. In a specific embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 64:36. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 63:37. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 62:38. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 61:39. In a particular embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 60:40. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 59:41. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 58:42. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 57:43. In a particular embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 56:44. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 55:45. In some other embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 54:46. In another embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 53:47. In a specific embodiment, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 52:48. In some embodiments, the weight ratio of each of the converted chemical active material to the inserted chemical active material is 51:49.

삽입 및 변환 물질의 혼합은 변화한다. 예를 들어, 도 1은 삽입 및 변환 물질의 실질적인 무작위 혼합을 보여준다. 도 2는 본 명세서에 기술된 발명의 일 실시양태에 따른 경사 조성을 나타내는 캐소드를 설명하는 단순화된 도표이다. 본 도표는 단지 일례일 뿐이며, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 도 2에서, 그늘진 원들은 삽입 물질 입자를 나타내며, 그늘지지 않은 원들은 변환 물질 입자를 나타낸다. 삽입 화학 물질은 변환 화학 물질에 대해 훨씬 더 적은 양이며 캐소드의 상부 영역(즉, 전해질과 접하거나 가장 근접한 캐소드 영역) 상에 위치한다. 예를 들어, 삽입 물질을 전해질에 가까이 위치시킴으로써, 전기화학 전지가 충전 또는 방전되며 리튬 이온이 전해질을 통해 캐소드 내로 또는 밖으로 이동하는 경우, 삽입 물질이 변환 화학 물질과 비교하여 더 높은 속도로 접근할 수 있다. 다양한 방전 이행에서, 삽입 물질은 유입되는 리튬 이온들이 캐소드 내에서 변환 화학 물질과 반응하기 전에 이들 이온과 반응하도록 위치한다. 예를 들어, 다양한 자동차 관련 응용에서, 전기 차량 가속용 펄스 방전 중에 저온에서 전기 차량을 출발시킬 때 전력 용량이 중요하다. 이들 고 전력 용량 실시예에서, 전해질에 가장 근접한 삽입 물질은 리튬 이온이 변환 화학 물질과 반응하기 전에 캐소드에서 리튬 이온과 반응하는 최초의 물질이 될 것이다. The mixing of the insertion and conversion materials changes. For example, Figure 1 shows a substantial random blend of insert and conversion materials. Figure 2 is a simplified diagram illustrating a cathode illustrating an inclined composition according to one embodiment of the invention described herein. This diagram is merely an example and should not be unduly limited to claims. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. In Fig. 2, the shaded circles represent intercalated material particles and the unshaded circles represent transitional material particles. The intercalating chemistry is much less for the conversion chemistry and is located on the top region of the cathode (i.e., the cathode region that is in contact with or closest to the electrolyte). For example, by placing the intercalant material close to the electrolyte, the electrochemical cell is charged or discharged and when the lithium ion is moved into or out of the cathode through the electrolyte, the intercalant material is accessible at a higher rate . In various discharging transitions, the intercalating material is positioned so that incoming lithium ions react with these ions before they react with the conversion chemistry in the cathode. For example, in various automotive applications, power capacity is important when starting an electric vehicle at low temperatures during pulse discharge for electric vehicle acceleration. In these high power capacity embodiments, the intercalant material closest to the electrolyte will be the first material that reacts with lithium ions at the cathode before the lithium ion reacts with the conversion chemistry.

일부 실시예에서, 하이브리드 양극의 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질보다 양극 및 음극을 분리하는 전해질에 더 가깝거나 근접한 전기화학 전지를 제공한다.In some embodiments, the intercalating chemical active material of the hybrid anode provides an electrochemical cell closer to or closer to the electrolyte separating the positive electrode and the negative electrode than the converted chemical active material.

특정 실시양태에서, 변환 화학 및 삽입 화학 물질이 층으로 배열된다. 경사 또는 층상 혼합물의 경우에, 경사 화학은 듀얼 패스 코팅기에서의 슬러리 코팅에 의해 조립될 수 있으며, 다른 공정들도 가능하다. 예를 들어, 입자가 상이한 크기 또는 밀도를 갖는다면, 입자는 침착 및/또는 건조 중에 슬러리 내에서 우선적으로 구분될 수 있다. In certain embodiments, the conversion chemistry and the intercalating chemical are arranged in layers. In the case of graded or layered mixtures, the graded chemistry can be assembled by slurry coating in a dual pass coater, and other processes are possible. For example, if the particles have different sizes or densities, the particles may preferentially be separated in the slurry during deposition and / or drying.

특정 실시양태에서, 변환 화학 및 삽입 화학 물질이 층으로 배열된다. 일부 실시예에서, 전해질과 직접 접촉하는 층은 삽입 물질이며 변환 화학 물질은 삽입 물질과 직접 접촉하고 있지만 전해질과는 직접 접촉하지 않는다. 일부 다른 실시예에서, 전해질과 직접 접촉하는 층은 변환 화학 물질이며 삽입 화학 물질은 삽입 물질과 직접 접촉하고 있지만 전해질과는 직접 접촉하지 않는다.In certain embodiments, the conversion chemistry and the intercalating chemical are arranged in layers. In some embodiments, the layer in direct contact with the electrolyte is an intercalating material, and the converting chemical is in direct contact with the intercalating material, but not in direct contact with the electrolyte. In some other embodiments, the layer in direct contact with the electrolyte is a conversion chemistry and the intercalating chemical is in direct contact with the intercalating material, but not in direct contact with the electrolyte.

특정 실시양태에서, 양극은 삽입 및 변환 화학 활물질의 교차 층을 포함하며, 여기에서 전해질에 가장 근위의 층은 삽입 물질이다. 특정의 다른 실시양태에서, 양극은 삽입 및 변환 화학 활물질의 교차 층을 포함하며, 여기에서 전해질에 가장 근위의 층은 변환 화학 물질이다.In certain embodiments, the anode comprises a cross-over layer of an intercalating and converting chemical active material, wherein the layer most proximal to the electrolyte is the intercalating material. In certain other embodiments, the anode comprises a cross-over layer of an intercalating and converting chemical active material, wherein the layer most proximal to the electrolyte is a conversion chemical.

캐소드 물질로서, 변환 화학 물질은 삽입 화학 물질보다 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 대부분, 캐소드 내에 가능한 많은 변환 화학 물질을 갖는 것이 바람직하다. 전기 차량 응용에서의 특이적 목적, 예컨대 회생 제동, 저온 시동, 및 가속을 위해 삽입 화학물질을 사용한다. 또한, 휴대용 디바이스에서 저온 작동을 위해 대부분의 변환 캐소드에 삽입 물질을 도입하는 것이 유리할 수 있다.As the cathode material, the conversion chemistry can provide a much higher energy density than the intercalating chemistry. For the most part, it is desirable to have as many conversion chemicals as possible in the cathode. Use intercalating chemicals for specific purposes in electric vehicle applications, such as regenerative braking, cold start, and acceleration. It may also be advantageous to introduce the intercalating material into most conversion cathodes for low temperature operation in portable devices.

일례로서, 혼합된 삽입 및 변환 화학을 갖는 캐소드는 특히 추운 날씨의 EV 회생 제동 응용에 특히 유용하다. 저온 작동 환경에서, 변환 화학 물질은 저 전력 용량을 나타낼 수 있다. 캐소드의 부분으로서 이행되는 삽입 화학 물질은 이 조건에서 펄스 전력을 제공할 수 있다. 또한, 삽입 화학 물질은 EV 가속 중에 매우 유용할 수 있으며, 이때 저장된 전기는 신속히 방전되고 삽입 화학 물질은 필요한 펄스 전력을 제공할 수 있다.As an example, cathodes with mixed insertion and conversion chemistry are particularly useful for EV regenerative braking applications, especially in cold weather. In a low temperature operating environment, conversion chemicals may exhibit low power capacity. The intercalating chemical that is implemented as part of the cathode may provide pulsed power in this condition. In addition, intercalating chemicals can be very useful during EV acceleration, where the stored electricity is quickly discharged and the intercalating chemicals can provide the required pulse power.

다양한 이행에서, 캐소드 화학은 구체적으로 전기 차량에 전력을 공급하도록 환경을 설정하며, 파워트레인 전압 파라미터에 따라 작업한다. 예를 들어, 전기 차량의 전력 전자공학은 전형적으로 1.5 내지 2.5의 최저 내지 최고 전압비를 취급한다. 바로 1.5 V 위에서 방전 전위를 나타내는 삽입 화학 물질(예: LTO 물질)을 포함시킴으로써 최저 전압을 1.3 V에서 1.5 V로 올릴 수 있으며, 이에 따라 2.5 * 1.3 = 3.25 V 대신에 2.5 * 1.5 = 3.75 V의 최고 전압이 허용된다. 최고 전압의 증가는 특히 까다로운 조건 하에 전기 차량을 작동시키는데 필요한 조작상의 자유 및 전력 효율을 제공할 수 있다.In various implementations, the cathode chemistry specifically sets the environment to power the electric vehicle and operates according to the power train voltage parameter. For example, electric power electronics in electric vehicles typically handle a minimum to maximum voltage ratio of 1.5 to 2.5. The lowest voltage can be raised from 1.3 V to 1.5 V by including an insertion chemistry (eg, LTO material) that exhibits a discharge potential at 1.5 V above, resulting in 2.5 * 1.5 = 3.75 V instead of 2.5 * 1.3 = 3.25 V The highest voltage is allowed. The increase in peak voltage can provide the operational freedom and power efficiency required to operate an electric vehicle under particularly demanding conditions.

앞에서 설명한 바와 같이, 변환 화학 물질은 높은 수준의 에너지 용량을 특징으로 한다. 예시적인 변환 화학 물질로는 FeF2, FeOxF3-2x, FeF3, CoF3, CoF2, BiF3, CuF2, MnF3, NiF2, 및/또는 기타 고 에너지 밀도 변환 화학 물질을 들 수 있으나 이로 제한되지는 않는다. 다양한 이행에서, 변환 화학 물질은 1000 mWh/g을 초과하는 에너지 용량을 제공할 수 있는 나노구조의 물질일 수 있다. 삽입 화학 물질은 높은 수준의 전력 용량을 특징으로 한다. 예시적인 삽입 화학 물질로는 낮은 전압면(low voltage side) 상의 티탄산 리튬, 및 고압면(high voltage side) 상의 리튬 철 포스페이트, 첨정석, 감람석, LiCoO2, NCM, NCA, 및/또는 기타 상부 전압 삽입 화학 물질을 들 수 있다. 예시적인 삽입 화학 물질이 도 9 및 10의 표에 포함되어 있다.As discussed above, conversion chemicals are characterized by a high level of energy capacity. Exemplary chemical conversion is FeF 2, FeO x F 3-2x, FeF 3, CoF 3, CoF 2, BiF 3, CuF 2, MnF 3, NiF 2, and / or other high-energy density and the conversion chemicals But is not limited thereto. In various implementations, the conversion chemistry may be a nanostructured material capable of providing an energy capacity in excess of 1000 mWh / g. Insert chemicals are characterized by a high level of power capacity. Exemplary insertion chemicals are the low voltage side (low voltage side) lithium titanate, and a high pressure surface of lithium iron phosphate, spinel, olivine, LiCoO 2, NCM, NCA, and / or the top the voltage on (high voltage side) on the Intercalating chemicals. Exemplary intercalating chemicals are included in the tables of Figures 9 and 10.

하기 실시예는 캐소드 조성 내의 삽입 물질 부분이 소정의 배터리 사용 조건에 따라 어떻게 계산될 수 있는지를 설명한다. 이는 또한, 극한의 응용에 요구되는 삽입 물질의 양이 배터리의 에너지 밀도를 유의하게 감소시키지 않음을 설명한다. 전기 차량은 0 ℃에서 약 10 내지 30 초의 3.5E의 방전 펄스 전력을 필요로 할 수 있다. 3.5E 속도(rate)는 배터리를 완전히 방전시키는 1 시간의 지속적인 전력 인출(즉, 방전)로부터 얻어지는 정격 에너지의 3.5 배와 균등한 전력을 배터리가 제공하는 것을 의미한다. 하기 실시예는 30 초 펄스의 고 전력 수요 시나리오를 상정하며, 여기에서 변환 화학 물질은 본 작동 조건(온도 및 속도)에서 요구되는 전력의 일부를 불충분하게 공급한다. 본 실시예에서, 100 Wh 속도의 전지의 경우에, 펄스는 대략 3 Wh(3.5*100 W *30 s *1 hr / 3600 s)의 수요, 또는 전지 에너지의 3%이다. 따라서, 활물질 에너지의 3%가 전력 화학에 의해 본 알키텍쳐에 기여할 것이다. 질량 분획 기여를 산정하기 위하여, 캐소드가 Li4Ti5O12(LTO)를 포함하는 방전 전력 화학을 포함하는 경우, 이는 165 mAh/g(Li 포함)의 비용량 및 1.5 V 방전 전위를 나타낸다. LTO로부터의 3 Wh 기여는 전지가 2 Ah 용량의 LTO(3 Wh/1.5 V=2 Ah)를 포함하여야 함을 내포한다. 100 Wh 전지가 601 mAh/g(Li 포함)의 비용량을 나타내는 42 Ah의 FeF3를 포함한다면, LTO의 질량 분획은 총 중량의 14%(즉, 12.1 g 대 69.9 g)이다. 본 실시예는 배터리 캐소드의 소 분획이 단단히 고정된 삽입 물질을 포함할 수 있으며, 캐소드의 주된 구성요소는 변환 화학 물질이고, 본 실시예에서 고려되는 고 전력 수요를 충족시킴을 설명한다. 요구되는 작동 조건에 따라, 사용되는 삽입 물질의 양이 변화한다.The following examples illustrate how the portion of the insert material in the cathode composition can be calculated according to a given battery usage condition. It also explains that the amount of intercalation material required for extreme applications does not significantly reduce the energy density of the battery. The electric vehicle may require a discharge pulse power of 3.5E at about 0 to about 10 to 30 seconds. The 3.5E rate means that the battery provides 3.5 times the rated energy from the 1 hour of continuous power draw (ie, discharge) that completely discharges the battery and equal power. The following example assumes a high power demand scenario of a 30 second pulse where the conversion chemistry provides an insufficient supply of some of the power required at this operating condition (temperature and speed). In this embodiment, in the case of a 100 Wh-speed battery, the pulse is about 3 Wh (3.5 * 100 W * 30 s * 1 hr / 3600 s), or 3% of the battery energy. Therefore, 3% of the active energy will contribute to this alkiecture by power chemistry. In order to estimate the mass fraction contribution, if the cathode contains discharge power chemistry including Li 4 Ti 5 O 12 (LTO), it represents a non-capacity of 165 mAh / g (including Li) and a 1.5 V discharge potential. The 3 Wh contribution from LTO implies that the battery should contain 2 Ah capacity of LTO (3 Wh / 1.5 V = 2 Ah). If the 100 Wh cell contains 42 Ah of FeF 3 representing a specific capacity of 601 mAh / g (including Li), the mass fraction of LTO is 14% of the total weight (i.e., 12.1 g versus 69.9 g). The present embodiment illustrates that a small fraction of the battery cathode may include an immersed material tightly anchored, and that the major component of the cathode is a conversion chemistry and meets the high power demands considered in this embodiment. Depending on the required operating conditions, the amount of insert material used varies.

다른 실시예에서, 배터리 캐소드 조성은 변환 물질과 함께 제형화된 고압의 단단히 고정된 삽입 캐소드 물질을 포함한다. 본 실시예에서, 사양은 10 ℃에서 10 초간 3E 펄스 충전을 요구하며, 변환 물질은 그 충전 속도를 전달할 수 없고, 이 경우에 삽입 화학 물질은 본 시나리오의 요건을 충족시키기 위하여 변환 화학 물질과 함께 제형화될 수 있다. 10초 동안 300 W를 전달하기 위한 삽입 화학 물질로서 LiCoO2(LCO)를 사용하면(4 V, 137 mAh/g 비용량, 리튬 포함), LCO로부터 208 mAh가 전달될 것이 필요하다. 본 실시예에서, 1.5 g의 LCO 또는 약 2%의 질량 분획이 포함된다. 더 짧은 펄스가 필요하기 때문에 본 실시예에서 질량 분획이 더 낮으며, LCO의 전압이 더 높으므로 비에너지가 더 높고 그 에너지를 전달하는데 저 적은 질량이 필요하다. 상기 2 가지 실시예에서 입증된 바와 같이, 사용되는 삽입 물질의 양과 유형은 많은 인자들, 예컨대 삽입 화학 물질, 변환 화학 물질의 특성, 예상되는 작동 조건, 목적하는 내성, 전기 차량의 에너지 및 전력 요구량, 및 기타 인자들에 좌우된다.In another embodiment, the battery cathode composition comprises a high pressure tightly immersed insertion cathode material formulated with a conversion material. In this example, the specification requires a 3E pulse charge at 10 占 폚 for 10 seconds, and the conversion material can not deliver its charge rate, in which case the intercalating chemical is combined with the conversion chemistry to meet the requirements of this scenario Can be formulated. Using LiCoO 2 (LCO) as an intercalation chemical to deliver 300 W for 10 seconds (4 V, 137 mAh / g capacity, including lithium) requires 208 mAh to be delivered from the LCO. In this example, 1.5 g of LCO or about 2% mass fraction is included. Because of the shorter pulse required, the mass fraction is lower in this embodiment, the higher the voltage of the LCO, the higher the specific energy and the lower the mass required to transfer its energy. As evidenced in the above two examples, the amount and type of intercalating material used can depend on many factors, such as the intercalating chemical, the nature of the converting chemical, the expected operating conditions, the desired resistance, the energy and power requirements of the electric vehicle , And other factors.

특정 실시예 전기 차량 응용의 경우, 고압 삽입 화학 물질은 변환 화학 물질의 저속, 고온 충전 전위(예: FeF3의 경우 약 3.7 V)보다 크지만 시스템 고압 컷오프(일부 경우에 약 4.2 V)보다는 낮은 충전 전압을 나타낸다. 사용될 수 있는 고압 물질의 예는 LiMPO4(M=Co, Ni, Mn, Fe, 및 그의 조합), LiNi0.5Mn1.5O4, LiMn0.5Ni0.5O2, LiMn2O4, LiCoO2, 및 Li3V2PO4이다. 부가적인 고압 물질이 도 10A-10F에 열거되어 있다. 낮은 전압 삽입 화학 물질은 시스템 낮은 전압 컷오프(일부 경우에 약 1.3 V)보다 크지만 변환 화학 물질의 고온, 저속 방전 전위(FeF3의 경우에 2.4 V)보다 낮은 방전 전위를 나타내고자 한다. 사용될 수 있는 낮은 전압 물질의 예는 Li4Ti5O12이다. 부가적인 낮은 전압 물질이 도 9A-9F에 열거되어 있다. 본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 변환 화학 물질은 낮은 전압 삽입 화학 물질 및 또한 고압 삽입 화학 물질 양자 모두와 함께 제형화된다. 본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 변환 화학 물질은 도 9A-F의 표에 열거된 삽입 화학 물질 및 또한 도 10A-F의 표에 열거된 삽입 화학 물질과 함께 제형화된다.Specific embodiments For electric vehicle applications, the high pressure intercalating chemical is greater than the low rate, high temperature charge potential (e.g., about 3.7 V for FeF 3 ) of the converted chemical but less than the system high pressure cutoff (in some cases about 4.2 V) Represents the charging voltage. Examples of high-pressure materials that can be used include LiMPO 4 (M = Co, Ni, Mn, Fe, and combinations thereof), LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , 3 V 2 PO 4 . Additional high-pressure materials are listed in Figures 10A-10F. The low voltage insertion chemical is intended to exhibit a discharge potential that is greater than the system low voltage cutoff (in some cases, about 1.3 V) but lower than the high temperature, low discharge potential (2.4 V for FeF 3) of the conversion chemistry. An example of a low voltage material that can be used is Li 4 Ti 5 O 12 . Additional low voltage materials are listed in Figures 9A-9F. In some embodiments described herein, the conversion chemistry is formulated with both a low voltage intercalating chemical and also a high pressure intercalating chemical. In some embodiments described herein, the conversion chemistry is formulated with the insertion chemistry listed in the table of Figures 9A-F and also with the insertion chemistry listed in the table of Figures 10A-F.

앞에서 기재한 바와 같이, 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질은 적어도 한 가지 측면에서 상승적이다. LTO와 같은 낮은 전압 삽입 화학 물질은 방전 펄스(예: 고전력 수요 펄스 또는 가속)에 대해 방전 에너지를 제공할 수 있으며, 그 후 이는 펄스가 완료됨에 따라 변환 화학 물질(예: FeF3)에 의해 재충전될 수 있다. 낮은 전압 삽입 화학 물질(예: LTO)가 재충전되도록 방전 펄스가 충분히 일시적으로 간격을 두고 있는 한, 각각의 방전 펄스에 대해 공정은 반복적으로 사용될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 단일 최장의 예상된 방전 펄스에 대해 에너지를 제공하기 위해서는 충분한 LTO 만이 하이브리드 양극에 포함될 필요가 있다.As noted above, the intercalating and converting chemicals are synergistic in at least one respect. Low voltage intercalation chemicals such as LTO can provide discharge energy for discharge pulses (e.g., high power demand pulses or accelerations), which can then be recharged by the conversion chemicals (e.g., FeF 3 ) . The process can be repeatedly used for each discharge pulse, so long as the discharge pulse is spaced sufficiently apart so that the low voltage intercalation chemistry (e.g., LTO) is refilled. In a preferred embodiment, sufficient LTO only needs to be included in the hybrid anode to provide energy for a single longest expected discharge pulse.

도 3은 전기 차량이 가속하고 있는 저온에서 본 명세서에 기술된 발명의 실시양태에 따라 혼합 물질 캐소드의 작동을 설명하는 단순화된 도표이다. 본 도표는 일례일 뿐, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 도 3A는 저온(예: 0 ℃)에서 차량의 예시적인 전력 수요를 보여준다. 도 3B는 변환 화학 물질(예: FeF3 또는 기타 유형의 변환 화학 물질)을 포함하는 배터리 전지의 경우, 시간의 함수로서 전압 출력을 보여준다. 도 3C는 변환 화학 물질 및 삽입 화학 물질(예: LTO 또는 기타 유형의 삽입 물질)을 양자 모두 포함하는 배터리 전지의 경우, 시간의 함수로서 전압 출력을 보여준다.3 is a simplified diagram illustrating the operation of a mixed material cathode in accordance with an embodiment of the invention described herein at a low temperature at which an electric vehicle is accelerating. This diagram is an example only and should not be construed to limit the claims in any way. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. 3A shows an exemplary power demand for a vehicle at low temperatures (e.g., 0 DEG C). Figure 3B shows the voltage output as a function of time for battery cells comprising a conversion chemistry (e.g., FeF 3 or other type of conversion chemistry). Figure 3C shows the voltage output as a function of time for battery cells that include both conversion chemicals and intercalating chemicals (e.g., LTO or other types of intercalating materials).

도 3A에 나타낸 바와 같이, 일부 실시예에서, 전기 차량에 대한 전력 수요는 전력 수요가 피크인 전기 차량이 시점 301A 및 302A에 가속할 때를 제외하고는, 실질적으로 일정하다. 충전 상태에 따라, 전기 차량에 대한 배터리 전지는 전기 차량이 가속할 때의 전력 수요를 만족시키기에 충분한 전력을 가질 수도 있고 갖지 못할 수도 있다. 도 3B에 나타낸 바와 같이, 전기 차량용 배터리 전지의 전지 전압은 캐소드가 변환 화학 물질(예: FeF3 및/또는 기타 유형의 변환 화학 물질) 만을 포함하는 경우 전기 차량이 작동함에 따라 초기의 고압 수준(상부 전압 컷오프 수준에 근접)으로부터 낮은 전압 수준(하부 전압 컷오프 수준에 근접)까지 하부 작동 전압 컷오프 미만으로 점진적으로 떨어진다. 그러나, 도 3C에 나타낸 바와 같이, 캐소드가 낮은 전압 삽입 물질도 포함하는 경우, 하부 전압 컷오프는 레일링된다(railded). 도 3C에서, 배터리 전압은 하부 전압 컷오프 미만으로 떨어지지 않는데, 왜냐하면 삽입 물질은 변환 화학 물질 만이 존재하는 경우 가능한 것보다 높은 전지 전압을 유지하기 때문이다.As shown in Figure 3A, in some embodiments, the electric power demand for an electric vehicle is substantially constant, except when an electric vehicle with a peak power demand accelerates to a point of view 301A and 302A. Depending on the state of charge, the battery cell for the electric vehicle may or may not have enough power to meet the electric power demand of the electric vehicle when accelerating. As shown in FIG. 3B, the battery voltage of the battery cell for an electric vehicle is set to an initial high pressure level (&quot; low &quot;) as the electric vehicle operates when the cathode contains only converted chemicals (e.g., FeF 3 and / or other types of converted chemicals) (Close to the upper voltage cutoff level) to a lower voltage level (closer to the lower voltage cutoff level). However, as shown in Figure 3C, when the cathode also includes a low voltage insertion material, the bottom voltage cutoff is railed. In Figure 3C, the battery voltage does not fall below the lower voltage cutoff, because the interposing material maintains a higher battery voltage than is possible if only the conversion chemistry is present.

충전 상태 및 변환 물질의 유형에 따라, 변환 화학 물질을 갖는 배터리 전지는 2 가지 방식 하에 작동할 수 있다. 배터리 충전이 실질적으로 완료되었을 때, 배터리 전지는 삽입(신속) 방식으로 작동한다. 즉, 변환 화학 물질은 삽입 공정으로 방전된다. 삽입 방식 중에, 전지 전압은 비교적 높으며 시점 301B에 필요한 전력과 전압을 제공하기에 충분한 헤드룸(headroom)을 갖는다. 시점 301B에, 시점 301A의 전기 차량 가속에 상응하는 전압의 강하는 전지 전압 수준이 하부 전압 컷오프 미만으로 떨어지도록 유발하지 않으며, 전기 차량은 정상적으로 작동한다. Depending on the state of charge and the type of conversion material, battery cells with conversion chemicals can operate in two ways. When the battery charge is substantially complete, the battery cell operates in an insert (quick) manner. That is, the converted chemical is discharged through the insertion process. During the insertion mode, the battery voltage is relatively high and has a sufficient headroom to provide the required power and voltage at point of view 301B. At point in time 301B, the drop in voltage corresponding to the electric vehicle acceleration of point 301A does not cause the battery voltage level to fall below the under voltage cutoff, and the electric vehicle will operate normally.

그러나, 도 3B에 나타낸 바와 같이 시점 301B와 302B 사이에 배터리 전지가 변환 방식으로 작동하는 경우(즉, 변환 물질이 변환 화학 반응을 거쳐 그리고 삽입 화학 반응을 거치지 않고 방전 또는 충전되는 경우), 배터리 전지 전압은 실질적으로 일정하지만 더 낮은 수준에 있으며, 이는 하부 전압 컷오프 수준에 근접할 수 있다. 시점 302A 중에 전기 차량이 가속하는 경우, 시점 302B에 나타낸 바와 같이, 전력 수요의 증가는 전지 전압이 하부 전압 컷오프 수준 미만으로 떨어지도록 유발할 수 있다. 배터리 전지의 전압 수준이 하부 전압 컷오프 미만으로 떨어지는 경우, 전지는 필요한 전력을 전달할 수 없다. 배터리 전지(또는 많은 배터리 전지로 만들어진 배터리 팩)가 하부 전압 컷오프 수준을 초과하지 않는 경우, 이는 전력 수요를 충족시킬 수 없고, 결과적으로 전기 차량은 원하는 대로 가속할 수 없다.However, as shown in FIG. 3B, when the battery cell operates in a conversion mode between the time points 301B and 302B (i.e., when the conversion material is discharged or charged through the conversion chemical reaction and without the insertion chemical reaction) The voltage is at a substantially constant but lower level, which may be close to the lower voltage cutoff level. If the electric vehicle accelerates during the point of view 302A, as shown at point in time 302B, an increase in power demand may cause the battery voltage to fall below the lower voltage cutoff level. When the voltage level of the battery cell falls below the lower voltage cutoff, the battery can not deliver the required power. If the battery cell (or a battery pack made of many battery cells) does not exceed the lower voltage cutoff level, it can not meet the demand for power and, as a result, the electric vehicle can not accelerate as desired.

캐소드가 삽입 및 변환 화학 물질 양자 모두를 포함하는 경우, 도 3C에 입증된 바와 같이, 전기 차량의 작동이 유의하게 개선된다. 도 3C의 그래프는 삽입 화학 물질(예: LTO) 및 변환 화학 물질(예: FeF3) 양자 모두를 갖는 배터리 캐소드에 대한 전지 전압을 보여준다. 앞에서 설명한 바와 같이, 다른 유형의 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질도 사용될 수 있다. 시점 301C에서, 전지 전압은 하부 전압 컷오프 수준을 훨씬 초과하므로 시점 301A에서의 가속이 전지 전압 수준을 떨어뜨리는 경우에도 전지 전압 수준은 여전히 하부 전압 컷오프 수준을 훨씬 초과한다. 시점 302C에, 주로(예: 총 중량의 80% 초과) 변환 화학 물질을 포함하는 전지는 변환 방식으로 작동한다. 시점 302C에, 전지 전압은 하부 전압 컷오프 수준과 근접한다. 시점 302C에 삽입 화학 물질은, 전기 차량이 시점 302A에 작동하는 경우 많이 필요한 전력을 제공함으로써 전지 전압이 시점 302C에 하부 전압 컷오프 미만으로 떨어지는 것을 방지하고 전기 차량이 원하는 대로 가속하도록 허용한다. 예를 들어, 하부 전압 컷오프 수준은 약 1.5 V이다. 1.5 V 부근에서, 삽입 화학 물질은 전기 차량에 의해 요구되는 전력에 기여한다. 전지 전압은 "레일링"되거나 삽입 물질에 기인하는 전압 수준에서 안정화되고, 배터리 백(battery back)은 전체적으로 가속의 경우 전기 차량의 전력 수요를 충족시킬 수 있다. 전기 차량이 가속하는 경우 전력 수요의 증가는 전지 전압이 떨어지도록 유발함에 주목하고자 한다. 가속이 중단되고 전력 수요가 감소할 때, 변환 화학 물질은 방전할 수 있고 이에 의해 삽입 화학 물질을 재충전할 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 삽입 물질은 시점 302C와 같은 상황에서 작동 헤드룸을 제공하도록 구체적으로 설정되며, 배터리 전지 캐소드의 작은 부분만을 형성한다. 따라서, 삽입 물질은 가능한 경우 재충전되며, 재충전된 삽입 물질은 필요한 경우 나중에 보충 전력을 제공할 수 있다.If the cathode contains both an insertion and conversion chemistry, the operation of the electric vehicle is significantly improved, as evidenced in Figure 3C. The graph of Figure 3C shows the cell voltage for a battery cathode with both an intercalating chemical (e.g., LTO) and a conversion chemistry (e.g., FeF 3 ). As discussed above, other types of intercalating and converting chemicals may also be used. At time 301C, the battery voltage far exceeds the lower voltage cutoff level, so that even if the acceleration at time 301A lowers the battery voltage level, the battery voltage level still far exceeds the lower voltage cutoff level. At point 302C, a cell containing a conversion chemistry predominantly (e.g., greater than 80% of the total weight) operates in a conversion mode. At time 302C, the cell voltage is close to the bottom voltage cutoff level. At point 302C, the interstitial chemical provides much needed power when the electric vehicle is operating at point 302A, thereby preventing the battery voltage from falling below the bottom voltage cutoff at point 302C and allowing the electric vehicle to accelerate as desired. For example, the bottom voltage cutoff level is about 1.5V. In the vicinity of 1.5 V, the intercalating chemical contributes to the power required by the electric vehicle. The battery voltage is stabilized at the voltage level due to "railing " or due to the insertion material, and the battery back as a whole can meet the electric power demand of the electric vehicle in case of acceleration. It should be noted that when the electric vehicle accelerates, the increase in the electric power demand causes the battery voltage to drop. When the acceleration is stopped and the demand for power is reduced, the conversion chemicals can discharge and thereby recharge the intercalating chemicals. As noted above, the intercalation material is specifically set to provide an operating headroom in the context of point 302C, forming only a small portion of the battery cell cathode. Thus, the intercalating material is recharged where possible, and the recharged intercalating material can provide supplemental power later if needed.

도 4는 전기 차량이 회생 제동을 실행하고 있는 저온에서 혼합 물질 캐소드의 작동을 설명하는 단순화된 도표이다. 본 도표는 일례일 뿐, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 도 4A는 저온(예: 0 ℃)에서 차량의 회생 제동의 경우 시간의 함수로서 전력 수요를 보여준다. 예를 들어, 차량은 전기 차량 또는 하이브리드 차량일 수 있다. 도 4B는 캐소드가 변환 화학 물질(예: FeF3 또는 기타 유형의 변환 화학 물질)을 포함하는 배터리 전지의 경우, 시간의 함수로서 전압 출력을 보여준다. 도 4C는 캐소드가 변환 화학 물질 및 삽입 화학 물질(예: LTO 또는 기타 유형의 삽입 물질)을 양자 모두 포함하는 배터리 전지의 경우, 시간의 함수로서 전압 출력을 보여준다.4 is a simplified diagram illustrating the operation of the mixed material cathode at low temperatures at which the electric vehicle is performing regenerative braking. This diagram is an example only and should not be construed to limit the claims in any way. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. 4A shows power demand as a function of time in the case of regenerative braking of the vehicle at low temperatures (e.g., 0 DEG C). For example, the vehicle may be an electric vehicle or a hybrid vehicle. Figure 4B shows the voltage output as a function of time for a battery cell in which the cathode comprises a conversion chemistry (e.g., FeF 3 or other type of conversion chemistry). Figure 4C shows the voltage output as a function of time for a battery cell in which the cathode contains both a conversion chemistry and an intercalating chemical (e.g., LTO or other type of intercalating material).

도 4A에 나타낸 바와 같이, 0 ℃ 등온 조건 하에, 차량으로부터의 전력 수요는 차량이 제동 중인 시점 401A 및 시점 401B를 제외하고는 실질적으로 일정하다. 시점 401A 및 401B 중에, 회생 제동 과정이 제동 과정으로부터 전력을 발생시킴에 따라 전력 수요는 낮고 음성이며, 회생 제동 과정으로부터의 전력은 배터리를 충전하는데 사용될 수 있다. 도 4B에서, 그래프는 변환 화학 물질(예: FeF3 또는 기타 유형의 변환 화학 물질)을 포함하는 배터리 전지의 작동을 보여준다. 도 4B에서 변환-화학-단독 배터리 전지는 초기의 삽입 방식 및 그 후 전압이 떨어짐에 따라 변환 방식의 2 가지 방식으로 작동한다. 삽입 방식 중에, 전지 전압은 비교적 높게 시작하여 상부 전압 컷오프 수준에 근접하게 된다. 예를 들어, 상부 전압 컷오프 수준은 4.2 V 부근일 수 있다. 차량 작동이 배터리 전지를 인출함에 따라, 배터리 전지가 변환 방식으로 작동하기 시작할 때까지 전지 전압이 떨어진다. 회생 제동의 시점 401A에 상응하는 시점 401B 중에, 배터리가 회생 제동 과정에 의해 재충전됨에 따라 전지 전압이 높아진다. 시점 401B에서의 전지 전압 수준이 비교적 높고 상부 전압 컷오프 수준에 근접하므로, 회생 제동 과정으로부터의 배터리 재충전은 상부 전압 컷오프 수준을 초과하는 수준까지 전지 전압을 올린다. 배터리 전지의 재충전이 일반적으로 바람직하지만, 일단 전압이 상부 수준 컷오프를 초과하게 되면 배터리 전지는 재충전을 허용할 수 없다. 회생 제동 재충전으로부터 전력을 낭비하는 것에 부가하여, 상부 전압 컷오프 수준을 초과하는 전력은 배터리 전지에 대해 안전하지 못한 작동 조건을 유발할 수 있다. 배터리 전지가 변환 방식으로 작동하는 경우, 전압 수준은 비교적 낮고, 시점 402B에서의 전지 전압 스파이크는 전지 전압이 높고 고압 컷오프에 근접할 때와 동일한 유형의 문제를 부과하지 않는다.As shown in Fig. 4A, under the 0 占 폚 isothermal condition, the electric power demand from the vehicle is substantially constant except for the time point 401A and the time point 401B during which the vehicle is braking. During times 401A and 401B, as the regenerative braking process generates power from the braking process, the power demand is low and negative, and the power from the regenerative braking process can be used to charge the battery. In Figure 4B, the graph shows the operation of a battery cell comprising a conversion chemistry (e.g., FeF 3 or other type of conversion chemistry). In Fig. 4B, the conversion-chemistry-alone battery cell operates in two ways: an initial insertion mode and then a conversion mode as the voltage drops. During the insertion mode, the battery voltage begins to be relatively high and approaches the upper voltage cutoff level. For example, the upper voltage cutoff level may be around 4.2 V. As the vehicle operation draws the battery cell, the battery voltage drops until the battery cell begins to operate in a conversion mode. During the time point 401B corresponding to the time point 401A of the regenerative braking, the battery voltage is increased as the battery is recharged by the regenerative braking process. The battery recharge from the regenerative braking process raises the battery voltage to a level that exceeds the upper voltage cutoff level because the battery voltage level at point 401B is relatively high and close to the upper voltage cutoff level. Recharging of the battery cell is generally preferred, but once the voltage exceeds the upper level cutoff, the battery cell can not allow recharging. In addition to wasting power from regenerative braking recharging, power exceeding the upper voltage cutoff level can cause unsafe operating conditions for the battery cell. When the battery cell operates in a conversion mode, the voltage level is relatively low, and the battery voltage spike at point 402B does not impose the same type of problem as when the battery voltage is high and approaches the high pressure cutoff.

도 4C는 삽입 화학 및 변환 화학 물질을 양자 모두 포함하는 배터리 전지의 이점을 보여준다. 예를 들어, 삽입 화학 물질은 LCO 물질을 포함하지만 이로 제한되지는 않으며, 변환 화학 물질은 FeF3 물질을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다. 기타 물질도 가능하다. 시점 401A에 상응하는 시점 401C에, 배터리 전지가 회생 제동으로 부터 재충전되지만 전지 전압은 상부 전압 컷오프 수준(예: 4.2 V)을 초과하지 않는다. 이는 전압 수준이 4.2 V를 초과하는 경우 삽입 화학 물질(예: LCO 물질)이 회생 전력을 수용하기 때문이다. 전압은 상부 전압 컷오프 수준에서 "레일링"되는데, 왜냐하면 4.2 V를 초과하는 전력이 삽입 화학 물질에 의해 흡수되기, 즉, 삽입 화학 물질이 시점 401C에 충전되기 때문이다. 전압이 상부 전압 컷오프 수준이거나 이를 초과하는 경우 삽입 화학 물질이 전력을 흡수하기 때문에 4.2 V를 초과하는 전압의 잠재적으로 안전하지 않은 작동 조건이 시점 401C에 회피된다. 삽입 화학 물질은 시점 402C 중에 부분적으로 충전될 수 있지만, 상부 전압 컷오프 수준 미만으로 전압 수준을 유지할 목적에 이는 필수적이지 않다.Figure 4C shows the advantages of a battery cell that includes both an insertion chemistry and a conversion chemistry. For example, intercalating chemicals include, but are not limited to, LCO materials, including, but not limited to, FeF 3 materials. Other materials are also possible. At time point 401C corresponding to time point 401A, the battery cell is recharged from the regenerative braking, but the battery voltage does not exceed the upper voltage cutoff level (e.g., 4.2 V). This is because the insertion chemistry (eg LCO material) accepts regenerative power when the voltage level exceeds 4.2 V. The voltage is "railed" at the top voltage cutoff level because power exceeding 4.2 V is absorbed by the intercalating chemical, i.e., the intercalating chemical is charged at time 401C. Potentially unsafe operating conditions of voltages in excess of 4.2 V are avoided at point 401C because the intercalating chemicals absorb power when the voltage is at or above the upper voltage cutoff level. The intercalating chemical may be partially charged during time point 402C, but this is not necessary for the purpose of maintaining the voltage level below the upper voltage cutoff level.

응용에 따라, 캐소드는 변환 화학 물질에 부가하여 2 가지 이상의 삽입 화학 물질을 포함할 수 있다. 2 가지 삽입 화학 물질은 상이한 작동 전압을 나타내며, 이는 작동 조건의 범위를 넓힐 수 있다. 예를 들어, 2 가지 삽입 화학 물질은 제2 삽입 물질 및 변환 화학 물질보다 낮지만 시스템 컷오프 전압을 초과하는 전압 평탄부를 특징으로 하는 제1 삽입 물질을 포함한다. 제2 삽입 물질은 제1 삽입 물질 및 변환 화학 물질보다 높지만 시스템 컷오프 전압보다 낮은 전압 평탄부를 특징으로 한다. 특이적 실시양태에서, 제1 삽입 물질은 Li4Ti5O12 또는 기타 티탄산 리튬을 포함하고, 그의 전압 평탄부는 Li에 대해 약 1.5 V이며; 제2 삽입 물질은 LiCoO2 또는 기타 리튬 코발트 옥사이드를 포함하고, 그의 전압 평탄부는 Li에 대해 약 4 V이다. 따라서, 2 가지 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질을 갖는 캐소드는 약 1.5 내지 4.2 V의 작동 전압 범위를 나타낼 수 있다.Depending on the application, the cathode may comprise two or more intercalating chemicals in addition to the converting chemical. The two intercalating chemicals exhibit different operating voltages, which can broaden the range of operating conditions. For example, the two intercalating chemicals include a first intercalating material characterized by a voltage flatness that is lower than the second intercalating and transforming chemical but exceeds the system cutoff voltage. The second intercalating material is characterized by a voltage flatness that is higher than the first intercalating and transforming chemical but lower than the system cutoff voltage. In a specific embodiment, the first intercalation material comprises Li 4 Ti 5 O 12 or other lithium titanate, and its voltage flat portion is about 1.5 V for Li; The second intercalation material comprises LiCoO 2 or other lithium cobalt oxide, and its voltage flat portion is about 4 V for Li. Thus, the cathode with two intercalating chemicals and conversion chemicals may exhibit an operating voltage range of about 1.5 to 4.2 V.

도 3-4에 나타내고 앞에서 기재한 바와 같이, 변환 화학 물질은 전압 및/또는 충전 상태에 따라 삽입 방식 및 변환 방식 양자 모두로 작동한다. 삽입 방식으로 작동하는 경우 변환 화학 물질은 제1 전압 범위를 나타내고, 변환 방식으로 작동하는 경우 변환 화학 물질은 제1 전압 범위와 상이한 제2 전압 범위를 나타내는 것으로 이해된다. 예를 들어, 변환 화학 물질 CoF3는 삽입 방식 중에 약 3-5 V의 전압 범위를 나타내고 변환 방식 중에 약 1.6-2.4 V의 전압 범위를 나타낸다. 일례로, 불화철은 삽입 방식 및 변환 방식 양자 모두로 작동하는 변환 화학 물질이다:As shown in FIGS. 3-4 and described above, the conversion chemicals operate both in the insertion mode and in the conversion mode, depending on the voltage and / or charge state. It is understood that when operating in an inset manner, the conversion chemistry represents a first voltage range, and when operating in a conversion mode, the conversion chemistry represents a second voltage range that is different from the first voltage range. For example, the conversion chemical CoF 3 exhibits a voltage range of about 3-5 V during the insertion process and a voltage range of about 1.6-2.4 V during the conversion process. For example, iron fluoride is a conversion chemistry that works both in the insertion mode and in the conversion mode:

Li+ + FeF3 + e- = LiFeF3 (삽입)Li + + FeF 3 + e - = LiFeF 3 (insertion)

2Li+ + LiFeF3 + 2e- = 3LiF + Fe (변환) 2Li + + LiFeF 3 + 2e - = 3LiF + Fe ( conversion)

불화철을 사용하는 경우, 삽입 반응은 전형적으로 약 2.7-4 V의 전압에서 이루어지고, 변환 반응은 전형적으로 2.4 V 미만의 전압에서 이루어진다. 기타 유형의 변환 화학 물질은 그들 각각의 삽입 및 변환 전압을 나타내며, 이때 삽입 방식 전압 범위는 변환 방식 전압 범위보다 높다. 본 명세서에 기술된 특정 실시양태에 따라, 변환 화학 물질과 혼합된 삽입 화학 물질은 삽입 방식 전압 범위보다 높은 전압 및/또는 변환 방식 전압 범위보다 낮은 전압에서 작동한다.When using fluoride iron, the insertion reaction typically takes place at a voltage of about 2.7-4 V, and the conversion reaction typically takes place at a voltage of less than 2.4 V. Other types of conversion chemicals represent their respective insertion and conversion voltages, where the insertion voltage range is higher than the conversion voltage range. According to certain embodiments described herein, the intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry operates at a voltage higher than the intercalating voltage range and / or lower than the interlacing voltage range.

도 5A-E는 본 명세서에 기술된 발명의 실시양태에 따라 혼합된 변환 및 삽입 물질을 갖는 캐소드의 작동 시나리오를 설명하는 단순화된 도표이다. 이들 도표는 일례를 제공할 뿐이며, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 방전 중의 변환 물질은 하나 또는 두개의 전압 평탄부 또는 수준을 특징으로 할 수 있다. 전압 평탄부는 저속(예: C/10 또는 더 느린 정전류 속도) 방전 중의 완만한 기울기를 나타내는 전압 대 충전 플롯 상의 영역이다. 도 5A는 삽입 전압 방식 및 변환 전압(하부) 방식을 나타내는 변환 물질과 변환 물질의 2 가지 전압 방식 사이의 삽입 전압을 나타내는 제2 물질의 비제한적 전압 대 충전 곡선 실시예를 설명한다. 도 5B는 변환 물질의 변환 전위 미만의 전압 평탄부, 저충전 상태(state of charge; SOC)에서의 저온 가속 조건에서 도울 수 있는 배열을 나타내는 비제한적 삽입 물질 실시예를 설명한다. 도 5C는 삽입 물질의 고압을 초과하는 전압 평탄부, 고 SOC에서의 저온 회생 제동 조건에서 도울 수 있는 배열을 나타내는 삽입 물질을 보여준다. 도 5D는 변환 물질 변환 전압을 묶는(bracketing) 전압 평탄부를 나타내는 2 가지 삽입 물질을 보여준다. 도 5E는 하나는 변환 물질의 삽입 방식 초과의 전압 평탄부를 동반하고 다른 하나는 변환 물질의 변환 평탄부 미만의 전압 평탄부를 나타내는 2 가지 삽입 물질을 보여준다.5A-E are simplified diagrams illustrating operating scenarios of cathodes with mixed conversion and intercalation materials in accordance with embodiments of the invention described herein. These diagrams provide an example only and should not unduly limit the claims. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. The conversion material during the discharge may be characterized by one or two voltage flat portions or levels. The voltage flatness is the area on the voltage versus charge plot that represents a gradual slope during low (e.g., C / 10 or slower constant current rate) discharge. 5A illustrates an unrestricted voltage versus charge curve embodiment of a second material that exhibits an interposed voltage between the two voltage schemes of a transform material and a transform material that exhibits an implanted voltage scheme and a transformed voltage (bottom) scheme. Figure 5B illustrates a non-limiting implant material embodiment showing a potential flattened portion below the conversion potential of the conversion material, an arrangement that can help in low temperature acceleration conditions at a low state of charge (SOC). FIG. 5C shows a voltage flat portion that exceeds the high pressure of the intercalation material, an intercalation material that shows an arrangement that can help under low temperature regenerative braking conditions at high SOC. Figure 5D shows two intercalating materials that represent voltage flattening parts that bracketing the conversion material conversion voltage. FIG. 5E shows two intercalating materials, one with a voltage plateau over the insertion of the conversion material and the other with a voltage plateau below the conversion plateau of the conversion material.

많은 유형의 변환 화학 및 삽입 화학 물질이 존재하며, 상이한 물질은 상이한 작동 조건, 예컨대 작동 온도, 작동 전압 등을 나타내는 것이 인정된다. 도 6은 변환 반응에서 상이한 금속 물질의 작동 전압을 설명하는 표이다. 도 6과 같은 열역학적 계산 및 표는 변환 물질의 대략적인 전압을 결정하는데 사용될 수 있는 반면, 경험적으로 전압을 입증하기 위해서는 실험이 필요할 수 있다. 따라서, 도 6을 사용하여 적절한 전압 평탄부를 나타내는 삽입 물질을 선택함에 의해 하이브리드 삽입/변환 양극을 고안할 수 있다.It is recognized that there are many types of conversion chemistry and intercalation chemistries, and that different materials exhibit different operating conditions, such as operating temperature, operating voltage, and the like. Figure 6 is a table illustrating the operating voltages of different metal materials in a conversion reaction. Thermodynamic calculations and tables such as FIG. 6 can be used to determine the approximate voltage of the transforming material, while experiments may be necessary to empirically verify the voltage. Thus, by using FIG. 6, a hybrid insertion / conversion anode can be devised by selecting an insert material that exhibits a suitable voltage flatness.

도 7은 본 발명의 일 실시양태에 따른 배터리 전지를 설명하는 단순화된 도표이다. 본 도표는 단지 일례일 뿐이며, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 배터리 전지(700)는 전류 집전체(705 및 704), 애노드(703), 전해질(702) 및 캐소드(701)를 포함한다. 캐소드(701)는 3 가지 물질: 변환 물질(701C), 제1 삽입 물질(701A) 및 제2 삽입 물질(701B)의 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 삽입 물질(701A)은 변환 물질의 하부 전압보다 낮은 전압 평탄부를 나타내며 제2 삽입 물질(701B)과 변환 물질(701C)에 비해 전해질(702)에 더 가까이 위치한다. 제2 변환 물질(701B)은 변환 물질의 상부 전압보다 높은 전압 평탄부를 나타내며, 제1 삽입 물질(701A)과 변환 물질(701C)의 사이에 위치한다. 다양한 이행에서, 제1 삽입 물질(701A)이 더 낮은 전압을 나타내므로 제2 삽입 물질(701B)과 변환 물질(701C)보다 높은 전류 밀도를 나타낼 것이며, 이에 따라 전해질(702)에 더 가까운 이온성 접근을 필요로 한다.7 is a simplified diagram illustrating a battery cell in accordance with one embodiment of the present invention. This diagram is merely an example and should not be unduly limited to claims. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. 7, the battery cell 700 includes current collectors 705 and 704, an anode 703, an electrolyte 702, and a cathode 701. [ The cathode 701 comprises a layer of three materials: conversion material 701C, a first intercalating material 701A and a second intercalating material 701B. In some embodiments, the first intercalating material 701A exhibits a voltage flatness lower than the bottom voltage of the converting material and is located closer to the electrolyte 702 than the second intercalating material 701B and the converting material 701C. The second conversion material 701B represents a voltage flatness higher than the top voltage of the conversion material and is located between the first insertion material 701A and the conversion material 701C. The first intercalating material 701A will exhibit a lower current density than the second intercalating material 701B and the converting material 701C because of the lower voltage, It needs access.

도 23은 본 발명의 일 실시양태에 따른 배터리 전지를 설명하는 단순화된 도표이다. 본 도표는 단지 일례일 뿐이며, 청구범위를 과도하게 제한해서는 안된다. 당업자는 많은 변화, 대안, 및 변형을 인식할 것이다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 배터리 전지(2400)는 전류 집전체(2402 및 2407), 음극(2406), 전해질(2405), 및 양극(2401)을 포함한다. 양극(2401)은 2 가지 물질: 변환 물질(2403) 및 삽입 물질(2404)의 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 삽입 물질(2404)은 변환 물질의 하부 전압보다 낮은 전압 평탄부를 나타내며, 변환 물질(2403)보다 전해질(2405)에 더 가까이 위치한다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 물질(2404)은 변환 물질의 상부 전압보다 높은 전압 평탄부를 나타내며, 변환 물질(2403)보다 전해질(2405)에 더 가까이 위치한다.23 is a simplified diagram illustrating a battery cell according to one embodiment of the present invention. This diagram is merely an example and should not be unduly limited to claims. Those skilled in the art will recognize many variations, alternatives, and variations. As shown in FIG. 23, the battery cell 2400 includes current collectors 2402 and 2407, a cathode 2406, an electrolyte 2405, and an anode 2401. The anode 2401 includes a layer of two materials: a conversion material 2403 and an insertion material 2404. In some embodiments, the intercalation material 2404 exhibits a voltage flatness lower than the bottom voltage of the conversion material and is located closer to the electrolyte 2405 than the conversion material 2403. In some other embodiments, the intercalation material 2404 exhibits a voltage flatness higher than the top voltage of the conversion material and is located closer to the electrolyte 2405 than the conversion material 2403.

도 8은 본 명세서에 기술된 배터리 디바이스와 사용하기에 적합한 캐소드 전극 실시예를 보여준다. 도 8에서, 캐소드용 전류 집전체는 전류 집전체의 양쪽 반대면 상의 캐소드 활물질을 가진다. 이들 캐소드 활물질은 변환 화학 물질, 삽입 화학 물질, 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질의 양자 모두, 한 가지 초과 유형의 삽입 물질, 변환 화학 물질 및 한 가지 초과 유형의 삽입 물질, 또는 이들 옵션의 조합을 포함할 수 있다. 음극전해질이 또한 이들 캐소드 활물질과 함께 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 아래 기재한 바와 같이, 상이한 유형의 변환 화학 물질이 전류 집전체의 각각의 반대면 위에 사용된다. 일부 실시예에서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 전류 집전체의 한 면 위의 캐소드 두께는 전류 집전체의 다른 면 위의 캐소드 두께와 동일하지 않다. 일부 실시예에서, 전류 집전체의 한 면은 전류 집전체의 다른 면 상의 캐소드 활물질의 층보다 더 두꺼운 캐소드 활물질의 층을 가진다.8 shows a cathode electrode embodiment suitable for use with the battery device described herein. In Fig. 8, the current collector for the cathode has the cathode active material on both opposite sides of the current collector. These cathode active materials include both conversion chemicals, intercalating chemicals, converting chemicals and intercalating chemicals, one or more types of intercalating materials, converting chemicals and one or more types of intercalating materials, or combinations of these options can do. A negative electrode electrolyte may also be included with these cathode active materials. In some embodiments, different types of conversion chemistries are used on each opposite side of the current collector, as described below. In some embodiments, as shown in Figure 8, the cathode thickness on one side of the current collector is not the same as the cathode thickness on the other side of the current collector. In some embodiments, one side of the current collector has a layer of the cathode active material that is thicker than the layer of the cathode active material on the other side of the current collector.

도 9(도 9A-9F로 제시됨)는 본 명세서에도 기술된 캐소드 활물질, 예를 들어, 변환 화학 물질과 사용하기에 적합한, 약 1.3-2.5 V 범위의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질 목록을 보여준다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 조성은 변환 화학 물질, 예를 들어, 불화금속과 조합되고 약 1.8-2.1 V 범위의 방전 전압을 나타내는 적어도 하나 이상의 삽입 물질을 포함한다.9 (shown in FIGS. 9A-9F) shows a list of intercalating materials exhibiting a discharge voltage in the range of about 1.3-2.5 V, suitable for use with the cathode active materials described herein, for example, conversion chemicals. In some embodiments, the compositions described herein comprise at least one intercalating material combined with a conversion chemistry, e. G., Metal fluoride, exhibiting a discharge voltage in the range of about 1.8-2.1 V.

도 10(도 10A-10F로 제시됨)은 본 명세서에도 기술된 캐소드 활물질, 예를 들어, 변환 화학 물질과 사용하기에 적합한, 약 2.5-3.8 V 범위의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질 목록을 보여준다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 조성은 변환 화학 물질, 예를 들어, 불화금속, 불화니켈과 조합되고 약 2.5-3.8 V 범위의 방전 전압을 나타내는 적어도 하나 이상의 삽입 물질을 포함한다.10 (shown in FIGS. 10A-10F) shows a list of intercalating materials exhibiting discharge voltages in the range of about 2.5-3.8 V, suitable for use with the cathode active materials described herein, for example, conversion chemicals. In some embodiments, the compositions described herein comprise at least one intercalating material combined with a conversion chemistry, e. G., Metal fluoride, nickel fluoride, and exhibiting a discharge voltage in the range of about 2.5-3.

일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 조성은 약 2.5-3.8 V 범위의 방전 전압을 나타내는 적어도 하나 이상의 삽입 물질과 조합되고, 변환 화학 물질, 예를 들어, 불화금속, 불화니켈, 불화철과 조합되며, 약 1.8-2.1 V 범위의 방전 전압을 나타내는 적어도 하나 이상의 삽입 물질을 포함한다.In some embodiments, the compositions described herein are combined with at least one or more intercalating materials exhibiting a discharge voltage in the range of about 2.5-3. 8 V, and may be combined with a conversion chemistry, such as a metal fluoride, a nickel fluoride, And comprises at least one intercalating material exhibiting a discharge voltage in the range of about 1.8-2.1 V.

캐소드 내의 변환 화학 및 삽입 화학 물질의 조합 실시예Combination of conversion chemistry and intercalation chemistry in the cathode Examples

본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 옥사이드 또는 포스페이트 또는 양자 모두인 적어도 하나의 삽입 물질과 조합하여, 본 출원에 기재된 변환 화학 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 이들 옥사이드 또는 포스페이트는 도 9(도 9A-9F로 표지된 다중 시트의 형태로 제시됨)의 표에 열거된 물질 중에서 선택된다. 일부 실시예에서, 이들 삽입 물질은 1.3 내지 2.5 V 범위의 방전 전압을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 이들 삽입 물질은 1.8 내지 2.1 V 범위의 방전 전압을 나타낸다. 이들 실시예의 일부에서, 이들 삽입 물질과 조합되는 변환 물질은 불화철이다.In some embodiments described herein, the hybrid electrode comprises the conversion chemistries described in this application in combination with at least one intercalating material that is an oxide or a phosphate, or both. In some embodiments, these oxides or phosphates are selected from those listed in the table of FIG. 9 (shown in the form of multiple sheets labeled with FIGS. 9A-9F). In some embodiments, these intercalant materials exhibit a discharge voltage in the range of 1.3 to 2.5 V. In some other embodiments, these intercalating materials exhibit discharge voltages in the 1.8 to 2.1 V range. In some of these embodiments, the conversion material in combination with these intercalation materials is iron fluoride.

일부 실시예에서, 이들 옥사이드 또는 포스페이트는 도 10의 표에 열거된 물질 중에서 선택된다. 일부 실시예에서, 이들 삽입 물질은 2.5 내지 3.0 V 범위의 방전 전압을 나타낸다. 이들 실시예의 일부에서, 이들 삽입 물질과 조합된 변환 물질은 불화니켈이다. 이들 실시예의 일부에서, 이들 삽입 물질과 조합된 변환 물질은 불화철이다. 이들 실시예의 일부에서, 이들 삽입 물질과 조합된 변환 물질은 불화니켈과 불화철(예: FeF3)의 조합이다.In some embodiments, these oxides or phosphates are selected from the substances listed in the table of FIG. In some embodiments, these intercalant materials exhibit a discharge voltage in the range of 2.5 to 3.0 V. In some of these embodiments, the conversion material in combination with these intercalation materials is nickel fluoride. In some of these embodiments, the conversion material in combination with these intercalation materials is iron fluoride. In some of these embodiments, the conversion material combined with these intercalation materials is a combination of nickel fluoride and iron fluoride (e.g., FeF 3 ).

일부 실시예에서, 변환 화학 물질이 불화니켈인 경우 조합되는 삽입 화학 물질은 2.5 내지 3.0 V 범위의 방전 전압을 나타낸다.In some embodiments, if the conversion chemistry is nickel fluoride, the incorporated intercalating chemistry exhibits a discharge voltage in the range of 2.5 to 3.0 volts.

일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 변환 화학 물질로서 불화금속(예: NiF2, FeF3, 또는 그의 조합)과 TiS2, FeS, FeS2, CuS, LTO(예: LiTiO2, 또는 Li4-7Ti5O12, 또는 Li4Ti5O12, 즉, 티탄산리튬 또는 LTO), 및 그의 조합으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 구성원을 포함한다. 이들 실시예의 일부에서, 불화금속은 FeF3, CuF2, NiF2, 및 그의 조합으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 구성원이다. 이들 실시예의 일부에서, 불화금속은 불화철, 불화구리, 불화니켈, 및 그의 조합으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 구성원이다. 이들 실시예의 일부에서, 불화금속은 Cu, Ni, Li2O, 전이금속 옥사이드, 또는 그의 조합에 의해 도핑된다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 도 9A-F, 도 10A-F의 삽입 물질, 또는 도 9A-F 및 도 10A-F 양자 모두 중에서 선택되는 삽입 물질을 포함한다.In some embodiments, the hybrid electrode comprises a metal fluoride (such as NiF 2 , FeF 3 , or a combination thereof) and TiS 2 , FeS, FeS 2 , CuS, LTO (such as LiTiO 2 , or Li 4-7 Ti 5 O 12 , or Li 4 Ti 5 O 12 , i.e., lithium titanate or LTO), and combinations thereof. In some of these embodiments, the metal fluoride is a member selected from the group consisting of FeF 3 , CuF 2 , NiF 2 , and combinations thereof. In some of these embodiments, the metal fluoride is a member selected from the group consisting of iron fluoride, copper fluoride, nickel fluoride, and combinations thereof. In some of these embodiments, the metal fluoride is doped with Cu, Ni, Li 2 O, a transition metal oxide, or a combination thereof. In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and an intercalation material selected from both FIGS. 9A-F, 10A-F, or both FIGS. 9A-F and 10A-F.

일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 TiS2를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 FeS를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 FeS2를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 CuS를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 LTO(즉, 티탄산리튬)를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 Li0-1TiO2를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 FeF3 및 Li0-1FeCuS2를 포함한다.In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and TiS 2 . In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and FeS. In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and FeS 2 . In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and CuS. In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and LTO (i.e., lithium titanate). In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and Li 0-1 TiO 2 . In some embodiments, the hybrid electrode comprises FeF 3 and Li 0-1 FeCuS 2 .

이들 실시예의 일부에서, FeS는 Li에 대해 1.6 V의 방전 전압을 나타낸다. 일부 실시예에서, FeS2는 Li에 대해 약 1.5 V - 1.8 V의 방전 전압을 나타낸다. 일부 실시예에서, CuS는 Li에 대해 약 1.7 - 2.05 V의 방전 전압을 나타낸다. 일부 실시예에서, TiS2는 Li에 대해 1.6 - 2.2 V의 방전 전압을 나타낸다. 일부 실시예에서, LTO는 Li에 대해 1.5 V의 방전 전압을 나타낸다.In some of these embodiments, FeS exhibits a discharge voltage of 1.6 V for Li. In some embodiments, FeS 2 exhibits a discharge voltage of about 1.5 V to 1.8 V for Li. In some embodiments, CuS exhibits a discharge voltage of about 1.7-2.05 volts for Li. In some embodiments, TiS 2 exhibits a discharge voltage of 1.6-2.2 V for Li. In some embodiments, LTO exhibits a discharge voltage of 1.5 V for Li.

이들 실시예의 일부에서, 음극전해질은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질의 이들 캐소드 조합과 함께 포함된다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 리튬, 포스포러스, 및 황 함유 종이다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 리튬, 포스포러스, 및 황 함유 종을 포함한다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 리튬 함유 석류석이다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 알루미나로 도핑된 리튬 함유 석류석이다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 리튬 실리콘 설파이드이다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 리튬 실리콘 설파이드를 포함한다. 일부 실시예에서, 음극전해질은 리튬, 포스포러스, 주석, 황화규소를 포함한다. 적합한 음극전해질 물질은 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 원용에 의해 본 명세서에 포함되고, 발명의 명칭이 "LiAMPBSC(M=Si, Ge, 및/또는 Sn)를 사용하는 배터리용 고체 상태 음극전해질 또는 전해질"이며, 2014년 5월 15일자 출원된 PCT 특허 출원 제PCT/US14/38283호에서 발견할 수 있다.In some of these embodiments, the negative electrode electrolyte is included with the conversion chemistry and these cathode combinations of the intercalating chemistry. In some embodiments, the cathode electrolyte is lithium, phosphorous, and sulfur containing species. In some embodiments, the cathode electrolyte comprises lithium, phosphorous, and sulfur containing species. In some embodiments, the cathode electrolyte is lithium-containing garnet. In some embodiments, the cathode electrolyte is a lithium-containing garnet doped with alumina. In some embodiments, the cathode electrolyte is lithium silicon sulphide. In some embodiments, the negative electrode electrolyte comprises lithium silicon sulfide. In some embodiments, the negative electrode electrolyte comprises lithium, phosphorous, tin, silicon sulfide. For battery using a suitable cathode an electrolyte material is a "Li A MP B S C (M = Si, Ge, and / or Sn) the title of the invention, is incorporated herein by reference in their entireties for all purposes Solid state cathodic electrolyte or electrolyte &quot;, which can be found in PCT Patent Application No. PCT / US14 / 38283, filed May 15,2014.

일부 실시예에서, 캐소드는 FeF3, 음극전해질, 및 Li에 대해 1.8 내지 2.1 V 범위의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 FeF3, 음극전해질, 및 Li에 대해 약 2.0 V의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 FeF3, 음극전해질, 및 Li에 대해 2.0 V의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 FeF3, 음극전해질, 및 Li에 대해 약 1.3-2.5 V의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 FeF3, 음극전해질, 및 Li에 대해 약 1.8-2.1 V의 방전 전압을 나타내는 삽입 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 FeF3, 음극전해질, 및 도 9의 표의 구성원 또는 도 9의 표의 구성원의 조합 중에서 선택되는 삽입 물질을 포함한다.In some embodiments, the cathode comprises FeF 3 , a negative electrode electrolyte, and an intercalating material exhibiting a discharge voltage in the range of 1.8 to 2.1 V for Li. In some embodiments, the cathode comprises FeF 3 , a negative electrode electrolyte, and an intercalation material that exhibits a discharge voltage of about 2.0 V for Li. In some embodiments, the cathode comprises FeF 3 , a negative electrode electrolyte, and an intercalating material exhibiting a discharge voltage of 2.0 V against Li. In some embodiments, the cathode comprises FeF 3 , a negative electrode electrolyte, and an intercalating material exhibiting a discharge voltage of about 1.3-2.5 V for Li. In some embodiments, the cathode comprises FeF 3 , a negative electrode electrolyte, and an intercalating material exhibiting a discharge voltage of about 1.8-2.1 V for Li. In some embodiments, the cathode comprises FeF 3 , a negative electrode electrolyte, and an intercalation material selected from a member of the table of FIG. 9 or a member of the table of FIG. 9.

일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 NiF2 및 Li0-1FeO2를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 NiF2 및 Li0-1MnO2를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 NiF2 및 Li1.33-2CuO2를 포함한다. 일부 실시예에서, 하이브리드 전극은 NiF2 및 도 10의 삽입 물질을 포함한다. In some embodiments, the hybrid electrode comprises NiF 2 and Li 0-1 FeO 2 . In some embodiments, the hybrid electrode comprises NiF 2 and Li 0-1 MnO 2 . In some embodiments, the hybrid electrode comprises NiF 2 and Li 1.33-2 CuO 2 . In some embodiments, the hybrid electrode comprises NiF 2 and the intercalating material of FIG.

양면 코팅 전극Double coated electrode

일부 실시예에서, 본 명세서에 기술된 배터리 디바이스는 더 두꺼운 전극으로 코팅된 전류 집전체 호일의 한 면과 더 얇은 전극으로 코팅된 다른 면을 갖는 양면 코팅 전극을 포함한다. 예를 들어, 도 8은 이러한 양면 코팅 전극의 비제한적인 실시예를 설명한다. 일부 실시예에서, 더 두꺼운 전극은 더 얇은 전극의 캐소드 활물질의 방전 전압보다 높은 변환 평탄부를 나타내는 불화금속이다.In some embodiments, the battery device described herein comprises a double-sided coating electrode having one side of a current collector foil coated with a thicker electrode and another side coated with a thinner electrode. For example, FIG. 8 illustrates a non-limiting embodiment of such a double-coated electrode. In some embodiments, the thicker electrode is a metal fluoride that exhibits a higher conversion flatness than the discharge voltage of the cathode active material of the thinner electrode.

일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 변환 화학 물질의 조합은 변환 화학 물질로서 불화금속을 포함한다. 일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함한다. 일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함하지만, 양면 코팅 전극의 각각의 면은 상이한 유형의 변환 화학 물질을 가진다. 이들 실시예의 일부에서, 한쪽 면은 불화금속을 가지며, 다른쪽 면은 도핑된 불화금속을 가진다. 일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함하지만, 양면 코팅 전극의 각각의 면은 상이한 양의 변환 화학 물질을 가진다.In some embodiments, the combination of the insertion chemistry and the conversion chemistry comprises a metal fluoride as the conversion chemistry. In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode comprise a conversion chemistry and an insertion chemistry. In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode comprise a conversion chemistry and an insertion chemistry, but each side of the double-sided coating electrode has a different type of conversion chemistry. In some of these embodiments, one side has a fluoride metal and the other side has a doped fluoride metal. In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode include a conversion chemistry and an insertion chemistry, but each side of the double-side coating electrode has a different amount of conversion chemistry.

일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함하지만, 양면 코팅 전극의 각각의 면은 상이한 유형의 삽입 화학 물질을 가진다. 일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함하지만, 양면 코팅 전극의 각각의 면은 상이한 양의 삽입 화학 물질을 가진다.In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode include a conversion chemistry and an insertion chemistry, but each side of the double-side coating electrode has a different type of insertion chemistry. In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode include a conversion chemistry and an insertion chemistry, but each side of the double-side coating electrode has a different amount of insertion chemistry.

일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함하지만, 양면 코팅 전극의 각각의 면은 상이한 유형의 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 가진다. 일부 실시예에서, 양면 코팅 전극의 양쪽 면은 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 포함하지만, 양면 코팅 전극의 각각의 면은 상이한 양의 각각의 유형의 변환 화학 물질과 삽입 화학 물질을 가진다. In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode comprise a conversion chemistry and an insertion chemistry, but each side of the double-side coating electrode has a different type of conversion chemistry and an intercalating chemistry. In some embodiments, both sides of the double-sided coating electrode comprise a conversion chemistry and an insertion chemistry, but each side of the double-side coating electrode has a different amount of each type of conversion chemistry and intercalating chemistry.

또 다른 실시예에서, 양면 코팅 전극의 한쪽 면은 변환 화학 물질을 포함하고 양면 코팅 전극의 다른쪽 면은 삽입 화학 물질을 포함한다.In another embodiment, one side of the double coated electrode comprises a conversion chemistry and the other side of the double coated electrode comprises an insertion chemistry.

일부 실시예에서, 더 두꺼운 전극 면은 더 얇은 전극보다 높은, 예를 들어, 50-200 mV 더 높은 방전 변환 평탄부를 나타내는 도핑된 변환 물질을 포함한다. 본 알키텍쳐는 놀랍게도 더 얇은 전극이 펄스 또는 저온 전력 이벤트로 고갈된 후 이를 "재충전"하기 위한 추진력을 제공한다.In some embodiments, the thicker electrode surface includes a doped conversion material that exhibits a higher discharge conversion flatness, e.g., 50-200 mV higher than a thinner electrode. The alkytechture surprisingly provides the impetus to "recharge" after thinner electrodes are depleted in pulse or low-temperature power events.

일부 실시예에서, 양면 코팅 캐소드의 한쪽 면 또는 양쪽 면이 경사를 이룬다. 일부 실시예에서, 양면 코팅 캐소드의 한쪽 면 또는 양쪽 면은 2개-층 단일 전극이다.In some embodiments, one or both sides of the two-sided coating cathode are tapered. In some embodiments, one or both sides of the double coated cathode is a two-layer single electrode.

일부 실시예에서, 양면 코팅 캐소드의 한쪽 면 또는 양쪽 면은 2개-층 단일 전극이며 이때 전류 집전체와 바로 접촉하는 층은 다른 캐소드 활물질보다 높은 전압 변환 평탄부를 나타내는 "도핑된" 변환 물질을 포함한다. 본 알키텍쳐에서, 도핑되지 않은 변환 물질은 "전력" 층으로서 작용한다. 본 알키텍쳐의 일부 실시예에서, 이들 층 사이의 개방 회로 전압 차이는 캐소드의 한 층이 캐소드의 다른 층을 재충전하기 위한 엔탈피 추진력을 제공한다.In some embodiments, one or both sides of the double-sided coating cathode is a two-layer single electrode, wherein the layer in direct contact with the current collector includes a "doped" conversion material that exhibits a higher voltage conversion flatness than other cathode active materials do. In this alkite texture, the undoped conversion material acts as a "power" layer. In some embodiments of the alkytexture, the open circuit voltage difference between these layers provides an enthalpy driving force for one layer of the cathode to recharge another layer of the cathode.

캐소드에서 나노치수 변환 화학 및 삽입 화학 물질Nano dimensional conversion chemistry and intercalation chemicals at the cathode

본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 변환 화학 물질 또는 삽입 화학 물질, 또는 양자 모두는 나노치수이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질은 나노치수이고 변환 화학 물질의 입자(particle) 또는 그레인(grain)으로 기재되며 여기에서 입자 또는 그레인은 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 또는 30 nm의 d50 직경을 나타낸다. 일부 실시예에서, 삽입 화학 물질은 나노치수이고 삽입 화학 물질의 입자 또는 그레인으로 기재되며 여기에서 입자는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 또는 30 nm의 d50 직경을 나타낸다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질 및 삽입 화학 물질의 이들 나노치수 입자들은 함께 긴밀하게 혼합된다.In some embodiments described herein, the conversion chemistry or intercalation chemistry, or both, are nanoscale dimensions. In some embodiments, the conversion chemical is a nanoscale dimension and is described as a particle or grain of a conversion chemical wherein the particle or grain is about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , D 50 diameters of 30, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, . In some embodiments, the intercalating chemical is nano-sized and is described as particles or grains of an intercalating chemical, wherein the particles are about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 , 13, shows the 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, or 30 nm of diameter d 50. In some embodiments, these nanoscale particles of the conversion chemistry and intercalation chemistry are intimately mixed together.

본 명세서에서 사용된, d50은 주사 전자 현미경과 같은, 그러나 이로 제한되지는 않는, 현미경 기술에 의해 측정된 크기 분포에서의 중간 직경 또는 중간 크기를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 d50은 입자의 50%가 언급된 크기보다 작은 특징적인 치수를 포함한다.As used herein, d 50 refers to the median diameter or median size in the size distribution measured by microscopy techniques, such as, but not limited to, scanning electron microscopy. As used herein, d 50 includes characteristic dimensions where 50% of the particles are smaller than the size referred to.

본 명세서에서 사용된 d50은, 예를 들어, 용매로서 아세토니트릴을 사용하고 측정 전에 1-분 초음파 처리를 사용하는 Horiba LA-950 V2 입자 크기 분석에 대한 광산란에 의해 측정된다. D 50 as used herein is measured, for example, by light scattering for Horiba LA-950 V2 particle size analysis using acetonitrile as solvent and using 1-minute sonication prior to measurement.

일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 1 nm의 d50을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 2 nm의 d50을 나타낸다. 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 3 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 4 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 5 nm의 d50을 나타낸다. 일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 6 nm의 d50을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 7 nm의 d50을 나타낸다. 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 8 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 9 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 10 nm의 d50을 나타낸다. 일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 11 nm의 d50을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 12 nm의 d50을 나타낸다. 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 13 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 14 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 15 nm의 d50을 나타낸다. 일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 16 nm의 d50을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 17 nm의 d50을 나타낸다. 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 18 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 19 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 20 nm의 d50을 나타낸다. 일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 21 nm의 d50을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 22 nm의 d50을 나타낸다. 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 23 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 24 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 25 nm의 d50을 나타낸다. 일부 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 26 nm의 d50을 나타낸다. 일부 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 27 nm의 d50을 나타낸다. 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 28 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 29 nm의 d50을 나타낸다. 또 다른 실시예에서, 삽입 화학 물질과 혼합되는 변환 화학 물질의 그레인은 30 nm의 d50을 나타낸다.In some embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a d 50 of 1 nm. In some other embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a d 50 of 2 nm. In another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 3 nm of 50 d. In another embodiment, the grain of the conversion chemistry mixed with the intercalating chemical exhibits a d 50 of 4 nm. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 5 nm of 50 d. In some embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 6 nm of 50 d. In some other embodiments, the grains of the conversion chemistry mixed with the intercalating chemical exhibit a d 50 of 7 nm. In another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 8 nm in the d 50. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 9 nm in the d 50. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 10 nm in the d 50. In some embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 11 nm in the d 50. In some other embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 12 nm in the d 50. In another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 13 nm in the d 50. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 14 nm in the d 50. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 15 nm in the d 50. In some embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 16 nm in the d 50. In some other embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 17 nm in the d 50. In another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 18 nm in the d 50. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a d 19 of 50 nm. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 20 nm in the d 50. In some embodiments, the grains of the conversion chemistry mixed with the intercalating chemical exhibit a d 50 of 21 nm. In some other embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 22 nm in the d 50. In another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a d 23 of 50 nm. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 24 nm in the d 50. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 25 nm in the d 50. In some embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a d 26 of 50 nm. In some other embodiments, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 27 nm in the d 50. In another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 28 nm in the d 50. In another embodiment, the grains of the conversion chemistry mixed with the intercalating chemical exhibit a d 50 of 29 nm. In yet another embodiment, the grains of the conversion chemicals are mixed and inserted into the chemical represents a 30 nm in the d 50.

캐소드에서 변환 화학 및 삽입 화학 물질의 양The amount of conversion chemistry and intercalating chemicals at the cathode

일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 30% w/w(중량비) 미만이다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 29.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 29.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 28.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 28.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 27.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 27.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 26.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 26.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 25.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 25.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 24.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 24.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 23.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 23.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 22.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 22.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 21.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 21.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 20.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 19.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 18.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 18.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 17.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 17.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 16.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 16.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 15.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 15.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 15.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 15.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 14.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 14.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 13.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 13.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 12.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 12.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 11.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 11.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 10.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 9.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 9.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 8.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 8.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 7.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 7.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 6.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 6.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 6.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 5.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 4.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 4.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 4.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 3.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 3.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 2.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 2.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 특정 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 1.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 1.0% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 변환 화학 물질과 혼합되는 삽입 화학 물질의 양은 0.5% w/w의 양으로 캐소드 내에 존재한다.In some embodiments, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is less than 30% w / w (weight ratio). In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 29.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 29.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 28.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 28.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 27.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 27.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 26.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 26.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 25.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 25.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 24.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 24.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 23.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 23.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 22.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 22.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 21.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 21.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 20.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 19.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 18.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 18.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 17.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 17.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 16.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 16.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 15.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 15.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 15.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 15.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 14.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 14.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemistry that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 13.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 13.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 12.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 12.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemistry that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 11.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 11.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 10.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 9.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 9.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 8.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 8.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 7.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemistry that is mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 7.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 6.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 6.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 6.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 5.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 4.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 4.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 4.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 3.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemical that is mixed with the conversion chemistry is present in the cathode in an amount of 3.0% w / w. In some embodiments, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 2.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 2.0% w / w. In certain embodiments, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 1.5% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 1.0% w / w. In another embodiment, the amount of intercalating chemistry mixed with the conversion chemistry is in the cathode in an amount of 0.5% w / w.

일부 실시예에서, 변환 물질은 FeF3 또는 NiF2이고, 삽입 물질은 캐소드 내에 10% w/w의 양으로 존재한다. 일부 실시예에서, 변환 물질은 FeF3 또는 NiF2이고, 삽입 물질은 캐소드 내에 5% w/w의 양으로 존재한다.In some embodiments, the conversion material is FeF 3 or NiF 2 , and the intercalation material is present in the cathode in an amount of 10% w / w. In some embodiments, the conversion material is FeF 3 or NiF 2 , and the intercalation material is present in the cathode in an amount of 5% w / w.

본 명세서에 기술된 발명의 실시양태는 관용적인 배터리 시스템 및 방법에 대해 많은 이점을 제공하는 것으로 인정된다. 무엇보다도, 혼합된 삽입 및 변환 화학 물질을 사용하면, 배터리 전지의 캐소드 영역이 고 에너지 밀도 및 작동 유연성 양자 모두를 제공할 수 있다. 캐소드에서 비교적 적은 양의 삽입 화학 물질은 배터리 디자인에 부가적인 정도의 유연성을 제공하여 저온 또는 그의 전압 한계 근처에서 너무 많은 중량의 부가없이도 배터리 작동의 요건을 충족시킬 수 있다. 예를 들어, 전기 차량 작동의 회생 제동 과정 중에, 삽입 화학 물질은 전압이 변환 화학 물질에 대해 너무 높은 경우 전력을 흡수한다. 다른 실시예로서, 변환 화학 물질이 변환 방식 하에 작동하고 전지 전압이 낮은 경우에, 삽입 화학 물질은 피크 전력 수요를 만족시킬 수 있다. 삽입 화학 물질보다 높은 에너지 밀도 및 용량을 제시하는 변환 화학 물질은 전기 모터의 다른 작동에 대해 일관된 전압으로 에너지를 제공한다. 다른 이점들도 존재한다.It is appreciated that embodiments of the invention described herein provide many advantages over conventional battery systems and methods. Best of all, using a mixed insertion and conversion chemistry, the cathode region of the battery cell can provide both high energy density and operational flexibility. A relatively small amount of intercalating chemistry at the cathode provides additional flexibility in battery design to meet battery operating requirements without adding too much weight at low temperatures or near its voltage limit. For example, during the regenerative braking process of an electric vehicle operation, the intercalating chemical absorbs power when the voltage is too high for the converted chemical. In another embodiment, when the conversion chemistry operates under a conversion scheme and the cell voltage is low, the intercalating chemistry can satisfy the peak power demand. Conversion chemicals that present a higher energy density and capacity than the intercalating chemicals provide energy at a consistent voltage for other operations of the electric motor. Other advantages exist.

[실시예][Example]

실시예 1 - 양극 제조Example 1 - Preparation of a cathode

결정성 FeF3 또는 결정성 삼불화철(즉, FeF3)과 티탄산리튬(LTO)의 80:20 w/w 혼합물을 카본(C65 전도성 카본 블랙) 및 에틸렌 프로필렌 고무 결합제(EPR)와 함께 혼합 및 제분하여 양극을 제조하였다. Li-금속 애노드 위에 배치되어 접촉하는 액체 전해질 포함 셀가드(celgard) 막 위로 이들 양극을 배치하였다. 셀가드 분리기는 액체 전해질을 함유하며 물리적으로 양극과 음극을 분리하였다. 액체 전해질은 1M LiPF6 염과 함께 에틸렌 카보네이트(EC)와 디메틸카보네이트(DMC) 용매를 50:50 v/v(EC:DMC) 비로 포함하였다. 일부 실시예에서, 전기화학 전지는 양극 활물질로서 FeF3 만을 포함하였다. 일부 다른 실시예에서, 전기화학 전지는 양극 활물질로서 FeF3 및 LTO 양자 모두를 80:20 w/w 비로 포함하였다.A 80:20 w / w mixture of crystalline FeF 3 or crystalline iron trifluoride (i.e. FeF 3 ) and lithium titanate (LTO) was mixed with carbon (C65 conductive carbon black) and ethylene propylene rubber binder (EPR) The anode was milled. These anodes were placed on a celgard film containing a liquid electrolyte disposed on and in contact with the Li-metal anode. The cell guard separator contained a liquid electrolyte and physically separated the positive electrode and the negative electrode. It contained a ratio: (DMC EC) liquid electrolytes 50:50 v / v ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) solvent with a 1M LiPF 6 salt. In some embodiments, the electrochemical cell contained only FeF 3 as the cathode active material. In some other embodiments, the electrochemical cell contained both FeF 3 and LTO as a cathode active material at a ratio of 80:20 w / w.

실시예 2 - 변환 화학 활물질을 갖는 양극과 비교하여 하이브리드 양극의 전기화학적 시험Example 2 - Electrochemical test of a hybrid anode as compared to a cathode having a converted chemical active material

도 11은 전기화학 전지를 조립한 후 초기의 고속 방전(즉, 0차 방전)을 보여준다. 방전은 C/10 속도로 50 ℃에서 실행되었다. LTO-포함 샘플에서 1.6 V의 평탄부는 FeF3 및 LTO를 양자 모두 갖는 양극이 1.5 V 최저에 도달하는데 방전 중에 더 긴 시간이 걸렸음을 보여준다. 본 실시예는 FeF3에 대한 최저 변환 전압을 초과하는 하부 작동 전압을 나타내는 LTO가 LTO의 부재(즉, FeF3 만을 갖는 전기화학 전지)로 되자마자 전기화학 전지가 1.5 V까지 떨어지는 것을 "레일링"하거나 방지하였음을 입증한다.11 shows an initial high-rate discharge (i.e., zero-order discharge) after assembling the electrochemical cell. The discharge was carried out at 50 DEG C at a C / 10 rate. The flat portion of 1.6 V in the LTO-containing sample shows that the anode with both FeF 3 and LTO reached a 1.5 V minimum and took a longer time to discharge. This embodiment demonstrates that as soon as the LTO representing the lower operating voltage exceeding the lowest conversion voltage for FeF 3 is the element of LTO (i.e., an electrochemical cell with only FeF 3 ), the electrochemical cell drops to 1.5 V ""Or prevented.

도 12는 도 11의 데이터를 생성하기 위한 실험에 사용된 전기화학 전지의 후속 충전을 보여준다. LTO-포함 샘플에서 1.6 V의 초기 평탄부는 FeF3 및 LTO를 양자 모두 갖는 양극이 FeF3 활물질 만을 갖는 양극보다 높은 전압에서 충전 사이클을 시작함을 보여준다. 본 실시예는 또한, FeF3에 대한 최저 변환 전압을 초과하는 하부 작동 전압을 나타내는 LTO가 LTO의 부재(즉, FeF3 만을 갖는 전기화학 전지)로 되자마자 전기화학 전지가 1.5 V까지 떨어지는 것을 "레일링"하였음을 입증한다.Figure 12 shows the subsequent charge of the electrochemical cell used in the experiment to generate the data of Figure 11. The initial flatness of 1.6 V in the LTO-containing sample shows that the anode with both FeF 3 and LTO starts the charge cycle at a higher voltage than the anode with only the FeF 3 active material. This embodiment also demonstrates that the electrochemical cell drops to 1.5 V as soon as the LTO representing the lower operating voltage in excess of the lowest conversion voltage for FeF 3 becomes an element of LTO (i.e., an electrochemical cell with only FeF 3 ) Railing "

실시예 3 - 변환 화학 활물질을 갖는 양극과 비교하여 하이브리드 양극의 전기화학적 시험Example 3 - Electrochemical test of a hybrid anode as compared to a cathode having a converted chemical active material

전기화학 전지를 실시예 1에 따라 제조하였다. 하기 펄스 사이클을 사용하여 50 ℃에서 이들 전기화학 전지를 분석하였다: C/10 속도의 지속적인 방전 펄스 다음 전지 전압이 평형을 이루도록 휴지시키고, C/5, C/3 및 C/2의 1 분 전류 펄스(각각 방전 펄스 사이에 5 분의 휴지기를 가짐)를 수행. 실행 시간(s)의 함수로 전지 전압(V 대 Li)을 관찰하고 도 13-18에 기록하였다. 대조군 샘플은 양극 활물질로 FeF3 만을 포함하였다. LTO 샘플은 FeF3 및 LTO(티탄산리튬) 양자 모두를 80:20 w/w 비로 포함하였다.An electrochemical cell was prepared according to Example 1. These electrochemical cells were analyzed at 50 ° C using the following pulse cycle: Continuous discharge pulses at a C / 10 rate The following battery voltages were allowed to equilibrate and then allowed to stand for 1 minute at C / 5, C / 3 and C / Perform pulses (each with a 5 minute pause between discharge pulses). The cell voltage (V vs. Li) was observed as a function of run time (s) and recorded in Figures 13-18. The control sample contained only FeF 3 as a cathode active material. The LTO sample contained both FeF 3 and LTO (lithium titanate) in a ratio of 80:20 w / w.

도 13은 100% 변환 화학, FeF3, 캐소드를 갖는 2개의 대표적인 대조군 전지와 하이브리드 캐소드로서 80 wt% 변환 화학, FeF3, 및 20 중량% 삽입 화학, LTO를 갖는 2개의 대표적인 전지를 비교하기 위한, 방전 종료점 부근의 시간 대 방전 전압을 보여준다. 삽입 물질은 1.55-1.64 V 범위의 방전 전압을 나타낸다. 도 13 및 14는 하이브리드 캐소드가 전류 펄스 중에 더 얕은 전압 스파이크를 나타내며, 따라서 변환 화학 활물질 만을 갖는 캐소드보다 늦게 전압 최저에 달함을 보여준다. 도 13 및 13은 하이브리드 캐소드가 거의 10% 더 많은 용량 및 더 적은 전해질 분해를 나타내며 이에 따라 더 긴 배터리 수명을 갖는 것으로 관찰됨을 보여준다.FIG. 13 is a graph comparing two representative control cells with 100% conversion chemistry, FeF 3 , cathode, and two representative cells with 80 wt% conversion chemistry, FeF 3 , and 20 wt% insertion chemistry, LTO as hybrid cathodes , And the time vs. discharge voltage near the discharge end point. The intercalating material exhibits a discharge voltage in the range of 1.55-1.64V. Figures 13 and 14 show that the hybrid cathode exhibits a shallower voltage spike during the current pulse and therefore reaches the voltage minimum later than the cathode with only the converted chemical active material. Figures 13 and 13 show that the hybrid cathode exhibits nearly 10% more capacity and less electrolyte degradation and thus has a longer battery life.

도 14는 마지막 방전을 보여주기 위해 상기와 동일한 조건을 사용하지만 확대된(즉, 클로즈업된) 전기화학적 시험을 보여주며, 명확을 기하기 위하여 각각의 배치로부터 하나의 대표적인 전지만을 보여준다. 특기 사항은 왼쪽 화살표로 표시된 39500 초 부근의 상대적인 전압 스파이크이며, 두 번째 화살표로 표시된 얕은 방전 전압, 및 후속의 방전이다. 본 실시예는 FeF3에 대한 최저 변환 전압을 초과하는 방전 전압을 나타내는 LTO가 전기화학 전지가 FeF3 만을 갖는 캐소드가 달성하는 것보다 낮은 전압으로 떨어지는 것을 "레일링"하거나 방지하였음을 입증한다.Figure 14 shows an enlarged (i.e., close-up) electrochemical test using the same conditions as above to show the final discharge, and shows only one representative cell from each batch for clarity. The special feature is the relative voltage spike in the vicinity of 39500 seconds indicated by the left arrow, the shallow discharge voltage indicated by the second arrow, and the subsequent discharge. This example demonstrates that that the LTO represents a discharge voltage exceeding the lowest voltage conversion for the FeF 3 falls to a lower voltage than to achieve a cathode electrochemical cell having only FeF 3 hayeoteum "rail ring" or prevented.

실시예 4 - 변환 화학 활물질을 갖는 양극과 비교하여 하이브리드 양극의 전기화학적 시험Example 4 - Electrochemical test of a hybrid anode as compared to a cathode having a converted chemical active material

도 15는 상기와 동일한 조건을 사용한 전기화학적 시험을 보여준다. 본 실시예에서, 데이터를 분석하여 방전 중의 면적-비저항(ASRdc) 대 펄스 사이클을 추출하였다. 도 15에 나타낸 바와 같이, LTO 및 FeF3를 포함하는 캐소드는 방전 중에, 특히 마지막 펄스에서 더 낮은 ASR을 나타내는 것으로 관찰되었다.15 shows an electrochemical test using the same conditions as above. In this example, the data were analyzed to extract the area-specific resistivity (ASR dc ) versus pulse cycle during discharge. As shown in FIG. 15, the cathodes containing LTO and FeF 3 were observed to exhibit lower ASR during discharge, especially in the last pulse.

도 16-18은 마지막 방전을 보여주기 위해 상기와 동일한 조건을 사용하지만 확대된(즉, 클로즈업된) 부가적인 전기화학적 실험 결과를 보여주며, 명확을 기하기 위하여 각각의 배치로부터 하나의 대표적인 전지만을 보여준다. 본 실시예는 FeF3에 대한 최저 변환 전압을 초과하는 방전 전압을 나타내는 LTO가 전기화학 전지가 FeF3 만을 갖는 캐소드가 달성하는 것보다 낮은 전압으로 떨어지는 것을 "레일링"하거나 방지하였음을 입증한다.Figures 16-18 show additional electrochemical experimental results using the same conditions as above to show the final discharge but with enlarged (i.e., close-up) and show only one representative cell from each batch for clarity Show. This example demonstrates that that the LTO represents a discharge voltage exceeding the lowest voltage conversion for the FeF 3 falls to a lower voltage than to achieve a cathode electrochemical cell having only FeF 3 hayeoteum "rail ring" or prevented.

실시예 5 - 변환 화학 활물질 만을 갖거나 삽입 화학 활물질 만을 갖는 양극과 비교하여 하이브리드 양극에 대한 하이브리드 전극 계산Example 5 - Hybrid Electrode Calculation for Hybrid Anode Compared to Positive Electrode Having Only Conversion Chemical Active Material or Only Inserted Chemical Active Material

캐소드 물질의 혼합이 전압 반응에 어떻게 영향을 미치는지 모의하기 위하여 시스템의 동등한 회로 모델을 제작하였다. 모델은 이온 또는 전자 전달에 대한 옴 저항 모델을 만드는데 사용되는 저항 요소; 전기화학적으로 전하를 저장하고 개방 회로 전압 및 용량을 양자 모두 갖는 물질을 나타내는 용량 요소; 및 반응 동력학에 의해 교환 전류가 제한되는 충전-수송 효과 모델을 만드는 저항기-콘덴서 쌍을 포함하는 3 가지 유형의 구성요소와 양극 전압을 계산하기에 유용한 선형 수학식을 포함하였다. 변환 및 삽입 물질을 포함하는 구성요소는 분리된 층으로 배열되어 하이브리드 화학 전극을 나타내었다. 이들 구성요소의 특성은 온도, 충전 상태, 부하 전류의 방향, 부하 전류의 크기, 및 다양한 기타 인자들에 따라 변화할 수 있다. 이들 구성요소의 특성은 본 특허에 언급된 임의의 변환 또는 삽입 화학을 모의하도록 설정될 수 있다. 배터리의 전압 반응을 모의하기 위하여, 모델의 말단에 제어된 부하 전류를 부착시켰다. 공지의 부하 전류를 사용하여, 회로 분석 기술에 의해 전지 전압을 결정할 수 있다.An equivalent circuit model of the system was built to simulate how the mixing of the cathode material affects the voltage response. The model is a resistive element used to create ohmic resistance models for ion or electron transport; A capacitive element that electrochemically stores charge and represents a material having both open circuit voltage and capacity; And three types of components including a resistor-capacitor pair that creates a charge-transport effect model in which the exchange current is limited by the reaction kinetics and a linear equation useful for calculating the anode voltage. The components including the conversion and insertion materials were arranged in separate layers to represent the hybrid chemical electrode. The characteristics of these components can vary depending on temperature, state of charge, direction of load current, magnitude of load current, and various other factors. The properties of these components can be set to simulate any transformation or insertion chemistry mentioned in this patent. To simulate the voltage response of the battery, a controlled load current was applied at the end of the model. The battery voltage can be determined by a circuit analysis technique using a known load current.

물질 - 본 실시예에서, 총 3 개의 캐소드 층을 사용하였다. 2 개의 변환 물질(FeF3) 층과 1 개의 삽입 물질(LTO 또는 LCO) 층이 존재한다. 삽입 물질 층을 배터리의 애노드에 가장 가깝게 위치시켰다. 선택되는 물질의 개수 및 유형과 이들 각각의 용량은 목적하는 조합을 모의하기에 필요한 대로 조정될 수 있는 것으로 인정된다. Materials - In this example, a total of three cathode layers were used. There are two layers of conversion material (FeF 3 ) and one layer of intercalation material (LTO or LCO). The layer of intercalation material was positioned closest to the anode of the battery. The number and type of materials selected and their respective doses are considered to be adjustable as needed to simulate the desired combination.

결과 - 도 19에 나타낸 전력 수요 프로파일은 도 20의 전압 반응을 발생시키는 제어된 부하 자극(load stimulus)을 보여준다. 도 20은 3 가지 세트의 모의 결과를 보여준다. 첫 번째는 양극에 변환 화학 활물질 만이 존재하는 경우 배터리로부터의 전력 수요에 대한 전압 반응을 보여준다. 두 번째는 양극에서 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 양자 모두 95:5 w/w의 비로 혼합된 경우 배터리로부터의 전력 수요에 대한 전압 반응을 보여준다. 세 번째는 양극에 삽입 물질 만이 존재하는 경우 배터리로부터의 전력 수요에 대한 전압 반응을 보여준다. Results - The power demand profile shown in Fig. 19 shows the controlled load stimulus causing the voltage response of Fig. Figure 20 shows the results of three sets of simulations. The first shows the voltage response to power demand from the battery when only the converted chemical active is present in the anode. The second shows the voltage response to the power demand from the battery when both the intercalating and deactivating chemical active materials in the anode are mixed at a ratio of 95: 5 w / w. The third shows the voltage response to the power demand from the battery when only the anode material is present in the anode.

도 20에서, 본 실시예는 낮은 충전 상태에서 고 전력 수요 이벤트 중에 혼합 화학 배터리의 전압이 전압 하한 미만으로 떨어지지 않았음을 보여준다.In Fig. 20, this embodiment shows that the voltage of the mixed chemical battery did not fall below the voltage lower limit during the high power demand event in the low charge state.

도 21에 나타낸 전력 수요 프로파일은 도 22의 전압 반응을 발생시키는 제어된 부하 자극을 보여준다. 도 22는 3 가지 세트의 모의 결과를 보여준다. 첫 번째는 양극에 변환 화학 활물질 만이 존재하는 경우 배터리로부터의 전력 수요에 대한 전압 반응을 보여준다. 두 번째는 양극에서 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 양자 모두 90:10 w/w의 비로 혼합된 경우 배터리로부터의 전력 수요에 대한 전압 반응을 보여준다. 세 번째는 양극에 삽입 물질 만이 존재하는 경우 배터리로부터의 전력 수요에 대한 전압 반응을 보여준다.The power demand profile shown in Fig. 21 shows the controlled load stimulus that produces the voltage response of Fig. Figure 22 shows the results of three sets of simulations. The first shows the voltage response to power demand from the battery when only the converted chemical active is present in the anode. The second shows the voltage response to the power demand from the battery when both the intercalating and deactivating chemical active materials in the anode are mixed at a ratio of 90:10 w / w. The third shows the voltage response to the power demand from the battery when only the anode material is present in the anode.

도 222에서, 본 실시예는 높은 충전 상태에서 고 전력 회생 제동 이벤트 중에 혼합 화학 배터리의 전압이 상부 전압 컷오프를 초과하지 않았음을 보여준다.In Figure 222, this embodiment shows that the voltage of the mixed chemical battery did not exceed the upper voltage cutoff during the high power regenerative braking event in the high charge state.

앞에서 특이적 실시양태들을 완전히 기술하기는 하였지만, 다양한 변형, 대안적인 구성 및 균등물이 사용될 수 있다. 따라서, 상기 기재 및 설명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 인정되지 않는다.While specific embodiments have been described above in detail, various changes, alternative constructions, and equivalents may be used. Therefore, the description and the description are not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (59)

전기화학적 디바이스로서,
애노드 영역;
전해질 영역; 및
삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질을 포함하는 캐소드 영역을 포함하며,
여기에서 전해질 영역이 애노드 영역과 캐소드 영역 사이에 위치하고,
여기에서 변환 화학 활물질이 캐소드 영역 내 활물질의 약 70 w/w%를 초과하는 중량 분획(fraction)으로 캐소드 영역 내에 존재하며,
여기에서 삽입 화학 활물질이 캐소드 활성 영역 내 활물질의 약 30 w/w% 미만의 중량 분획으로 캐소드 영역 내에 존재하는, 전기화학적 디바이스.As an electrochemical device,
An anode region;
Electrolyte region; And
A cathode region including an inserted chemical active material and a converted chemical active material,
Wherein the electrolyte region is located between the anode region and the cathode region,
Wherein the converted chemical active material is present in the cathode region as a weight fraction of greater than about 70 w / w% of the active material in the cathode region,
Wherein the intercalated chemical active is present in the cathode region in a weight fraction less than about 30 w / w% of the active material in the cathode active region. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 실질적으로 2 개의 층으로 구분되어 있는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the inserted chemical active material and the converted chemical active material are substantially divided into two layers. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 캐소드 영역 내에서 균질하게 혼합되어 있는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the intercalating chemical active material and the converted chemical active material are homogeneously mixed in the cathode region. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질이 더 높은 농도로 전해질에 근접하도록 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 캐소드 영역 내부에서 경사를 이루고 있는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the inserted chemical active material and the converted chemical active material are inclined inside the cathode region so that the inserted chemical active material is closer to the electrolyte at a higher concentration. 제1항에 있어서,
변환 화학 활물질이 더 높은 농도로 전해질에 근접하도록 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 캐소드 영역 내부에서 경사를 이루고 있는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the inserted chemical active material and the converted chemical active material are inclined inside the cathode region so that the converted chemical active material is closer to the electrolyte at a higher concentration. 제2항에 있어서,
삽입 화학 활물질 층이 변환 화학 활물질 층과 전해질 영역 사이에 위치하는 디바이스.3. The method of claim 2,
Wherein the inserted chemical active material layer is located between the converted chemical active material layer and the electrolyte region. 제1항에 있어서,
애노드 전류 집전체를 추가로 포함하는 디바이스.The method according to claim 1,
A device further comprising an anode current collector. 제1항에 있어서,
전해질 영역이 실질적으로 고체인 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte region is substantially solid. 제1항에 있어서,
전해질 영역이 석류석 전해질 또는 설파이드 전해질을 포함하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte region comprises a garnet electrolyte or a sulfide electrolyte. 제1항에 있어서,
변환 화학 활물질이 FeF2, NiF2, FeOxF3-2x, FeF3, MnF3, CoF3, CuF2 물질 및 그의 합금 또는 조합으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 디바이스.The method according to claim 1,
The device is selected from a chemical conversion active material FeF 2, NiF 2, FeO x F 3-2x, FeF 3, MnF 3, CoF 3, CuF 2 substances and the group consisting of alloys thereof or in combination. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질이 LiFePO4, LixTiyOz, LiNixMn2-xO4, LiCoO2, Li(NiCoMn)O2, 및/또는 Li(NiCoAl)O2 물질을 포함하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the intercalating chemical active material comprises LiFePO 4 , Li x Ti y O z , LiNi x Mn 2-x O 4 , LiCoO 2 , Li (NiCoMn) O 2 , and / or Li (NiCoAl) O 2 material. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질이 LiMPO4(M=Fe, Ni, Co, Mn), LixTiyOz(여기에서 x는 0 내지 8이고, y는 1 내지 12이며, z는 1 내지 24임), LiMn2O4, LiMn2-aNiaO4(여기에서 a는 0 내지 2임), LiCoO2, Li(NiCoMn)O2, Li(NiCoAl)O2, 및 니켈 코발트 알루미늄 옥사이드[NCA]로 구성된 그룹 중에서 선택되는 디바이스.The method according to claim 1,
Insert chemical active material LiMPO 4 (M = Fe, Ni , Co, Mn), Li x Ti y O z ( a, where x is from 0 to 8, y is 1 to 12, z is from 1 to 24 Im), LiMn 2 O 4, LiMn 2-a Ni a O 4 consisting of (wherein a is 0 to 2;), LiCoO 2, Li (NiCoMn ) O 2, Li (NiCoAl) O 2, and a nickel cobalt aluminum oxide [NCA] A device selected from the group. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질이 캐소드 영역 내에서 무작위로 혼합되는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the injected chemical active material and the converted chemical active material are randomly mixed in the cathode region. 제1항에 있어서,
변환 화학 활물질이 제1 상부 전압 수준을 특징으로 하고 삽입 화학 활물질이 제2 상부 전압 수준을 특징으로 하며, 제1 상부 전압 수준이 제2 상부 전압 수준보다 낮은 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the converted chemical active material is characterized by a first upper voltage level and the inserted chemical active material is characterized by a second upper voltage level and wherein the first upper voltage level is lower than the second upper voltage level. 제1항에 있어서,
변환 화학 활물질이 삽입 화학 활물질의 삽입 전압보다 낮은 변환 전압을 특징으로 하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the conversion chemical material is characterized by a conversion voltage lower than an insertion voltage of the insertion chemical material. 제1항에 있어서,
변환 화학 활물질이 삽입 화학 활물질의 삽입 전압을 초과하는 변환 전압을 특징으로 하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the conversion chemical material is characterized by a conversion voltage exceeding an insertion voltage of the insertion chemical material. 제1항에 있어서,
캐소드 영역이 4.0 V를 초과하는 전압에서 충전될 수 있는 디바이스.The method according to claim 1,
A device wherein the cathode region can be charged at a voltage in excess of 4.0 volts. 제1항에 있어서,
변환 화학 활물질의 방전 중 변환 전압 수준이 삽입 화학 활물질의 방전 중 삽입 전압 수준을 초과하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the converted voltage level during discharging of the converted chemical active material exceeds an inserted voltage level during discharging of the inserted chemical active material. 제1항에 있어서,
캐소드 영역이 변환 물질과 적어도 2가지의 상이한 유형의 삽입 화학 활물질을 포함하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the cathode region comprises a conversion material and at least two different types of intercalating chemical active materials. 제19항에 있어서,
제1 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질의 상부 전압 수준보다 높은 전압 수준을 나타내고, 제2 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질의 낮은 전압 수준보다 낮은 전압 수준을 나타내는 디바이스.20. The method of claim 19,
Wherein the first intercalated chemical active material exhibits a voltage level higher than the upper voltage level of the converted chemical active material and the second intercalated chemical active material exhibits a voltage level lower than the lower voltage level of the converted chemical active material. 배터리 시스템으로서,
배터리 관리 시스템(battery management system; BMS);
복수의 배터리 전지를 포함하는 배터리 팩을 포함하며,
여기에서 각각의 배터리 전지가
애노드 영역;
전해질 영역; 및
삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질을 포함하는 캐소드 영역을 포함하고, 전해질 영역이 애노드 영역과 캐소드 영역 사이에 위치하며, 캐소드 영역이 제1 중량을 특징으로 하고, 삽입 화학 활물질이 제2 중량을 특징으로 하며, 제2 중량이 제1 중량의 20% 미만인, 배터리 시스템.As a battery system,
A battery management system (BMS);
A battery pack comprising a plurality of battery cells,
Here, each of the battery cells
An anode region;
Electrolyte region; And
Wherein the cathode region comprises a first weight and the intercalating chemical active comprises a cathode active material comprising an intercalating chemical active material and a converting chemical active material, wherein the electrolyte region is located between the anode region and the cathode region, And wherein the second weight is less than 20% of the first weight. 배터리 시스템으로서,
배터리 관리 시스템(BMS);
복수의 배터리 전지를 포함하는 배터리 팩을 포함하며,
여기에서 각각의 배터리 전지가 제1항에 따른 전기화학적 디바이스를 포함하는, 배터리 시스템.As a battery system,
A battery management system (BMS);
A battery pack comprising a plurality of battery cells,
Wherein each battery cell comprises an electrochemical device according to claim 1. 제21항에 있어서,
BMS가 펄스 충전에 의해 배터리 팩을 충전시키도록 설정된 시스템.22. The method of claim 21,
A system in which the BMS is configured to charge the battery pack by pulse charging. 제21항에 있어서,
배터리 시스템이 전기 모터에 전기적으로 커플링되고;
여기에서 전기 모터가 회생 제동(regenerative braking)을 실행할 때 BMS가 배터리 팩을 충전시키며 캐소드 영역이 4.0 V를 초과하는 전압 수준에서 재충전될 수 있는 시스템.22. The method of claim 21,
The battery system is electrically coupled to the electric motor;
Wherein the BMS charges the battery pack when the electric motor performs regenerative braking and the cathode region can be recharged at a voltage level exceeding 4.0 V. 제21항에 있어서,
캐소드 영역이 약 2 V의 전지 전압 미만에서 작동할 수 있는 시스템.22. The method of claim 21,
Wherein the cathode region can operate below a cell voltage of about 2 volts. 제21항에 있어서,
배터리 팩이 약 -30 내지 120 ℃의 작동 온도 범위를 특징으로 하는 시스템.22. The method of claim 21,
Wherein the battery pack is characterized by an operating temperature range of about -30 to 120 &lt; 0 &gt; C. 삽입 화학 활물질을 제1 양으로 제공하는 단계;
변환 화학 활물질을 제2 양으로 제공하고, 제2 양이 제1 양보다 적어도 3배 많은 단계;
기판 위에 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질을 침착시켜 캐소드 영역을 형성하는 단계;
캐소드 영역과 접하는 전해질 영역을 제공하는 단계; 및
전해질 영역과 접하는 애노드 영역을 제공하고, 전해질 영역은 캐소드 영역과 애노드 영역 사이에 위치하는 단계를 포함하는, 전기화학적 디바이스의 제조 방법. Providing the inserted chemical active material in a first amount;
Providing the converted chemical active material in a second amount, wherein the second amount is at least three times greater than the first amount;
Depositing an inserted chemical active material and a converted chemical active material on a substrate to form a cathode region;
Providing an electrolyte region in contact with the cathode region; And
Providing an anode region in contact with the electrolyte region, wherein the electrolyte region is located between the cathode region and the anode region. 제27항에 있어서,
삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질을 무작위로 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 방법.28. The method of claim 27,
Further comprising the step of randomly mixing the intercalated chemical active material and the converted chemical active material. 제27항에 있어서,
기판이 캐소드 전류 집전체를 포함하는 방법.28. The method of claim 27,
Wherein the substrate comprises a cathode current collector. 제27항에 있어서,
삽입 화학 활물질 층을 형성하는 단계;
삽입 화학 활물질 층과 접하는 변환 화학 활물질 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.28. The method of claim 27,
Forming an inserted chemical active material layer;
Further comprising the step of forming a converted chemical active material layer in contact with the inserted chemical active material layer. 제27항에 있어서,
변환 화학 활물질이 20 nm 미만의 규모로 구조를 이룬 영역을 갖는 방법.28. The method of claim 27,
Wherein the converted chemical active material has a structured area on a scale of less than 20 nm. 전기화학적 디바이스로서,
애노드 영역;
전해질 영역; 및
하나 이상의 삽입 화학 활물질과 변환 화학 활물질을 포함하는 캐소드 영역을 포함하며;
여기에서 변환 화학 활물질 대 하나 이상의 삽입 화학 활물질의 중량비가 70:30 내지 99:1인, 전기화학적 디바이스.As an electrochemical device,
An anode region;
Electrolyte region; And
A cathode region comprising at least one intercalating chemical active material and a converted chemical active material;
Wherein the weight ratio of the converted chemical active material to the at least one intercalated chemical active material is 70:30 to 99: 1. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 삽입 전압 평탄부(plateau)가 변환 화학 활물질에 대한 변환 전압 평탄부를 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein an inserted voltage plateau for one or more intercalating chemical active materials exceeds a converted voltage flatness for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 삽입 전압 평탄부가 변환 화학 활물질에 대한 변환 전압 미만인 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
An electrochemical device having an insertion voltage for one or more intercalating chemical active materials that is less than the conversion voltage for the conversion chemical active material. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 작동 전압 평탄부 또는 전압 상한이 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부 또는 전압 상한 미만인 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the working voltage flat portion or the upper voltage limit of the converted chemical active material is less than the upper working voltage flat portion or the upper voltage limit for the at least one intercalated chemical active material. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 작동 전압 평탄부가 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부 미만인 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein an operating voltage flat portion of the converted chemical active material is less than an upper working voltage flat portion for one or more intercalated chemical active materials. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 상부 작동 전압 평탄부 또는 전압 상한이 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 상부 및 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the upper working voltage flat part or the upper voltage limit of the converted chemical active material is between the upper and lower working voltage flat parts for the at least one intercalating chemical active material. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 상부 작동 전압 평탄부가 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부와 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein an upper working voltage flat portion of the converted chemical active material is between an upper working voltage flat portion and a lower working voltage flat portion for one or more intercalating chemical active materials. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질의 하부 작동 전압 또는 전압 하한이 변환 화학 활물질에 대한 하부 작동 전압 평탄부를 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the lower operating voltage or lower voltage limit of the at least one inserted chemical active material exceeds the lower operating voltage flatness for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질의 하부 작동 전압 평탄부가 변환 화학 활물질에 대한 하부 작동 전압 평탄부를 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the lower operating voltage flatness of the at least one intercalated chemical active material exceeds the lower operating voltage flatness for the converted chemical active. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질의 하부 작동 전압이 변환 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부와 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the lower operating voltage of the at least one inserted chemical active material is between the upper working voltage flatness and the lower working voltage flatness for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질과 혼합되고, 변환 화학 활물질에 대한 삽입 방식 전압 범위보다 높은 전압에서 작동하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
An electrochemical device in which one or more intercalating chemical active materials are mixed with the converted chemical active material and operate at a voltage higher than the intercalating voltage range for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질과 혼합되고, 변환 화학 활물질에 대한 변환 방식 전압 범위보다 낮은 전압에서 작동하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
An electrochemical device in which one or more intercalating chemical active materials are mixed with the converted chemical active material and operate at a voltage lower than the transitional voltage range for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질과 혼합되고, 변환 화학 활물질에 대한 삽입 방식 전압 범위보다 낮은 전압에서 작동하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein one or more intercalating chemical active materials are mixed with the converted chemical active material and operate at a voltage lower than the intercalating voltage range for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질과 혼합되고, 변환 화학 활물질에 대한 삽입 방식 전압 범위보다 높은 전압 및 변환 화학 활물질에 대한 변환 방식 전압 범위보다 낮은 전압의 양자 모두에서 작동하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the one or more intercalating chemical active materials are mixed with the converted chemical active material and operate at both a voltage higher than the intercalating voltage range for the converted chemical active material and a voltage lower than the transitional voltage range for the converted chemical material. 제1항에 있어서,
삽입 화학 활물질이 적어도 2가지의 상이한 유형의 삽입 화학 활물질을 포함하는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the intercalating chemical active material comprises at least two different types of intercalating chemical active materials. 제1항에 있어서,
캐소드 영역이 3.0 V를 초과하는 전압에서 충전될 수 있는 디바이스.The method according to claim 1,
Wherein the cathode region can be charged at a voltage greater than 3.0 volts. 제21항에 있어서,
배터리 팩이 약 70 내지 80 ℃의 작동 온도 범위를 특징으로 하는 시스템.22. The method of claim 21,
Wherein the battery pack is characterized by an operating temperature range of about &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 70-80 C. &lt; / RTI &gt; 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 삽입 전압 평탄부가 변환 화학 활물질에 대한 변환 전압 OCV를 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
An electrochemical device wherein the insertion voltage for one or more intercalating chemical active materials is greater than the conversion voltage OCV for a flat conversion additive chemical active. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 삽입 전압 평탄부가 변환 화학 활물질에 대한 OCV 변환 전압 미만인 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
An electrochemical device having an insertion voltage for one or more intercalating chemical active materials that is less than an OCV conversion voltage for a converted chemical active material. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 작동 전압 평탄부 또는 전압 상한이 하나 이상의 삽입 화학 활물질의 상부 작동 전압 평탄부 또는 전압 상한 미만인 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the working voltage flat portion or the upper voltage limit of the converted chemical active material is less than the upper working voltage flat portion or the upper voltage limit of the at least one intercalated chemical active material. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 OCV 전압이 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 OCV 전압 미만인 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the OCV voltage of the converted chemical active material is less than the OCV voltage for one or more intercalating chemical active materials. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질의 OCV 전압이 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 상부 및 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the OCV voltage of the converted chemical active material is between the upper and lower working voltage flat portions for one or more intercalating chemical active materials. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질에 대한 OCV 전압이 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 상부 작동 전압 평탄부와 하부 작동 전압 평탄부 사이에 있는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the OCV voltage for the converted chemical active material is between the upper working voltage flatness and the lower working voltage flatness for one or more intercalating chemical active materials. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질의 하부 작동 전압 또는 전압 하한이 변환 화학 활물질에 대한 OCV 전압을 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the lower operating voltage or lower voltage limit of the at least one inserted chemical active material exceeds the OCV voltage for the converted chemical active material. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질의 하부 작동 전압 평탄부가 변환 화학 활물질에 대한 하부 작동 전압 평탄부를 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the lower operating voltage flatness of the at least one intercalated chemical active material exceeds the lower operating voltage flatness for the converted chemical active. 제32항에 있어서,
변환 화학 활물질에 대한 변환 OCV가 하나 이상의 삽입 화학 활물질에 대한 삽입 전압을 초과하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
Wherein the conversion OCV for the converted chemical active material exceeds an insertion voltage for one or more intercalating chemical active materials. 제32항에 있어서,
하나 이상의 삽입 화학 활물질이 변환 화학 활물질과 혼합되고, 변환 화학 활물질에 대한 변환 OCV 전압보다 낮은 전압에서 작동하는 전기화학적 디바이스.33. The method of claim 32,
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